Классификация методов количественного. Количественный анализ

Качественный анализ неорганических веществ. Предмет и задачи качественного анализа. Основные понятия.

Качественный анализ – обнаружение или открытие составных компонентов в исследуемой системе.

Цель качественного анализа-определение; элементного или изотопного состава вещества. При анализе органических соединений находят непосредственно отдельные химические элементы, например углерод, серу, фосфор, азот или функциональные группы. При анализе неорганических соединений определяют, какие ионы, молекулы, группы атомов, химические элементы составляют анализируемое вещество.

Классификация методов качественного анализа. Аналитический сигнал

В зависимости от количества пробы используемой в анализе различают:

Макроанализ (масса – более 100 мг, объем р-ра – 10-100 мл)

Полу-микроанализ (масса – 10-100 мг, объем р-ра – 1-10 мл)

Микроанализ (масса – 1-10 мг, объем р-ра – 0,01-1 мл)

Субмикроанализ (масса – 0,1-1 мг, объем р-ра – 0,001-0,01 мл)

Ультрамикроанализ (масса – менее 0,1 мг, объем р-ра – менее 0,001 мл)

В случае необходимости обнаружения какого-либо компонента обычно

фиксируют появление аналитического сигнала – появление осадка, окраски, и т.д. Появление аналитического сигнала должно быть надежно

зафиксировано. При определении количества компонента измеряется величина

аналитического сигнала – масса осадка и т.п.

Дробный и систематический анализ. Групповой реагент.

Дробный анализ – обнаружение ионов с помощью специфических реакций в отдельных порциях исследуемого раствора, выполняется в любой последовательности.

Систематический анализ – определённая последовательность выполнения реакций, при которых каждый ион обнаруживается после того, как удаляются все мешающие ионы.

В ходе систематического анализа ионы выделяют из сложной смеси целыми группами, пользуясь одинаковым отношением к некоторым реагентам.

Реагенты, позволяющие выделить из сложной смеси группу ионов, называются групповыми реагентами.

Требования:

* должен осаждать ионы практически полностью

* получающийся осадок должен легко растворяться в щелочах или кислотах для проведения дальнейших исследований.

* его избыток не должен мешать обнаружению оставшихся в растворе ионов.

Классификация катионов на аналитические группы.

Сероводородная (сульфидно-аммиачная)

1 – Na+, K+, Pb+, Cs+, Fr+, NH4+, Mg+, (гр. реагент - нет)

2 – Ca+2, Sr+2, Ba+2, Ra+2, (гр. реагент – (NH 4) 2 CO 3 , pH=8-9)

3.1 – Fe (II и III), Mn+2, Zn+2, Co+2, Ni+2, (гр. реагент - (NH 4) 2 S, pH=8-9) (осаждаются в виде сульфидов)

3.2 – Al+3, Cr+3, Ti+4, Be+2 (гр. реагент - (NH 4) 2 S, pH=8-9) (осаждаются в виде гидроксидов)

4.1 – Cu+2, Hg+2, Bi+3, Cd+2, (гр. реагент – H 2 S) (не растворяются в (NH 4) 2 S)

4.2 – Sn+2, Sn+4, Sb+3, Sb+5, As+3, As+5,(гр. реагент – HCl, pH=0,5)

5 – Ag+, Bb+2, Hg+4 (гр. реагент - HCl)

Классификация анионов на аналитические группы.

1.1 (не раств. в HCl) – SO 4 -2, групповой реагент – BaCl.

1.2 (раств. в HCl) – SO 3 -2, S2O3 -2, CO 3 -2, SiO 3 -2, PO 4 -3 групповой реагент – BaCl.

2 – I-, Cl-, S, Br-, групповой реагент – AgNO 3.

3 – NO 3 -, CH 3 COO- групповой реагент – нет.

Предмет и задачи количественного анализа. Классификация методов количественного химического анализа.

Количественный анализ – определяет количественное содержание компонентов в исследуемой системе.

Методами количественного химического анализа устанавливают, в каких количественных соотношениях находятся составные части в исследуемом веществе. Количественными методами можно определить соединение химического элемента или другой составной части в содержании, сплаве, смеси, растворе. Кроме того, количественные методы позволяют определять атомные, эквивалентные и молекулярные массы, константы равновесия, произведения растворимости, кислотность или щелочность среды.

Гравиметрические (весовые) методы – выделяют и взвешивают осадок.

Титриметрические (объемные) методы – измерение V стандартного раствора, необходимого для реакции.

Газоволюметрические – Измерение V газа, выделяющегося в ходе реакции.

ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА

Задачей количественного анализа является определение количественного

Все методы количественного анализа подразделяются на химические, физико-химические и физические. К химическим методам относятся гравиметрический, титриметрический и газовый анализы, к физико-химическим – фотометрия, электрохимический и хроматографический анализы, к физическим – спектральный анализ, люминесцентный.

1. Гравиметрический анализ основан на определении массы вещества, выделенного в чистом виде или в виде соединения известного состава. Например, чтобы определить количество бария в его соединениях, ион Ва 2+ осаждают при помощи разбавленной серной кислоты. Осадок ВаSО 4 фильтруют, промывают, прокаливают и точно взвешивают. По массе осадка ВаSО 4 и его формуле вычисляют, сколько в нем содержится

бария. Гравиметрический метод дает результаты высокой точности, но он очень трудоемок.

2. Титриметрический анализ основан на точном измерении объема реактива,

затраченного на реакцию с определенным компонентом. Реактив берется в виде раствора определенной концентрации – титрованный (стандартный) раствор. Момент, когда реактив будет прибавлен в количестве, эквивалентном содержанию определяемого вещества, т.е. окончания реакции, определяется различными способами. При титровании приливают реактив в количестве, эквивалентном количеству исследуемого вещества. Зная объем и точную концентрацию раствора, пошедшего на реакцию с определяемым веществом, вычисляют его количество.

Титриметрический анализ дает менее точные результаты, чем гравиметрический, но важным его преимуществом является большая скорость выполнения анализа. В зависимости от типа реакций, протекающих в процессе титрования, титриметрический анализ включает методы кислотно-основного титрования, методы оксидиметрии и методы осаждения и комплексообразования.

3. Методы фотометрии основаны на измерении поглощения, пропускания и рассеяния света раствором. Для большинства фотометрических методов используют так называемые цветные реакции, т.е. химические реакции, сопровождающиеся изменением окраски раствора. Метод, основанный на определении содержания вещества по интенсивности окраски, называют колориметрией . Оценку интенсивности окраски раствора производят визуально или с помощью соответствующих приборов.

Иногда определяемый компонент превращают в труднорастворимое соединение и о его содержании судят по интенсивности помутнения раствора. Метод, основанный на этом принципе, называют нефелометрией . Методы колориметрии и нефелометрии применяются для определения компонентов, входящих в состав анализируемого вещества в очень малых количествах. Точность этого метода ниже, чем гравиметрического или титриметрического.

4. Электрохимические методы. К этим методам относятся электрогравиметрический анализ, кондуктометрия, потенциометрия м полярография. Электрогравиметрический метод применяется для определения концентрации металлов. Определяемый элемент осаждается путем электролиза на электроде, масса которого известна. Кондуктометрия и потенциометрия относятся к электротитриметрии. Окончание реакции при титровании устанавливают или путем измерения электропроводности раствора или путем измерения потенциала электрода, погруженного в исследуемый раствор. Потенциометрический метод применяется также для определения рН раствора. Определение основано на измерении электродвижущей силы раствора (э.д.с.), которая зависит от концентрации ионов водорода. В полярографическом метод е о количестве определяемого иона судят по характеру вольтамперной кривой (полярограмма), получаемой при электролизе исследуемого раствора с капельным ртутным катодом в особом приборе – полярографе. Этот метод отличается высокой чувствительностью. Применяя полярографический метод, можно в одном и том же растворе качественно и количественно определять различные элементы, не прибегая к химическим реакциям.

5. Хроматографический метод основан на использовании явления избирательной

адсорбции растворенных веществ (или ионов) различными твердыми веществами – адсорбентами. Адсорбентами могут быть активированный оксид алюминия Al 2 O 3 , пермутит, синтетические смолы и др. Хроматографический метод применяется в качественном и количественном анализе. Особенно широко применяется этот метод для разделения веществ или ионов.

В количественном анализе различают макро-, микро и полумикрометоды. В настоящем учебнике рассматривается выполнение гравиметрических и титриметрических определений только макрометодом.

2. ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Все методы количественного анализа в зависимости от характера экспериментальной техники, применяемой для конечного определения составных частей анализируемого вещества или смеси веществ, делят на три группы: химические, физические и физико-химические (инструментальные) методы анализа.

К химическим методам анализа относятся:

1. Весовой анализ - измерение массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в химически чистом состоянии или в виде соответствующих соединений.

2. Объемный анализ - измерение объема жидких, твердых и газообразных продуктов или их водных и неводных растворов.

Известны разнообразные объемные методы:

1) объемный титриметрический - измерение объема израсходованного на реакцию реактива точно известной концентрации;

2) газовый объемный - анализ газовых смесей, основанный на избирательном поглощении из анализируемой газовой смеси определяемого компонента подходящими поглотителями;

3) седиментационный объемный, основанный на расслоении дисперсных систем под действием силы тяжести, сопровождающемся отделением дисперсной фазы в виде осадка и последующем измерении объема осадка в калиброванной центрифужной пробирке. Например, в микро- и ультрамикроанализе содержание серы находят путем окисления ее до сульфатной и последующего осаждения в виде осадка сульфата бария, определяемого указанным методом.

В более широком смысле седиментационным анализом называют метод определения в дисперсных системах величины и относительного содержания частиц различных размеров по скорости седиментации (оседания или всплывания).

Скорость седиментации сферических частиц при известных условиях описывается уравнением Стокса:

где v - скорость седиментации;

Радиус частицы;

Плотность материала частицы;

Плотность дисперсной среды;

Вязкость среды;

Ускорение силы тяжести.

Очень часто в лабораторной практике применяют весовые методы седиментационного анализа, основанное на гидростатическом взвешивании осадка в процессе его накопления при помощи седиментационных стеклянных весов Н. А. Фигуровского.

В ряде случаев разделение методов анализа на химические и физикохимические условно, так как иногда трудно или практически невозможно решить вопрос о принадлежности того или иного метода анализа к какой-либо из указанных групп.

Перечисленные методы являются лишь методами конечного определения определяемого вещества или его составных частей и не отражают всех особенностей химического анализа.

Существенной частью химического анализа, на выполнение которой химику-аналитику иногда приходится расходовать больше времени и труда, чем на конечное определение определяемого вещества, являются методы разложения анализируемого вещества, а также методы разделения, выделения и концентрирования определяемых элементов (или ионов).

Аналитическая химия занимается исследованием экспериментальных методов определения состава веществ. Определение состава веществ включает выявление природы компонентов, из которых состоит исследуемое вещество, и установление количественных соотношений этих компонентов.

Сначала устанавливают качественный состав исследуемого объекта, т.е. решают вопрос, из чего он состоит, а затем приступают к определению количественного состава, т.е. узнают, в каких количественных соотношениях обнаруженные составные части находятся в объекте исследования.

Качественный анализ вещества можно проводить химическими, физическими, физико-химическими методами.

Химические методы анализаоснованы на применении характерных химических реакций для установления состава анализируемого вещества.

Химический анализ вещества проводят двумя способами: «сухим путем» или «мокрым путем». Анализ сухим путем - это химические реакции, происходящие с веществами при накаливании, сплавлении и окрашивании пламени.

Анализ мокрым способом - это химические реакции, протекающие в растворах электролитов. Анализируемое вещество предварительно растворяют в воде или других растворителях. В зависимости от массы или объема взятого для анализа вещества, от применяемой техники различают макро-, полумикро- и микрометоды.

Макрометод. Для проведения анализа берут 1-2 мл раствора, содержащего не менее 0,1 г вещества, и добавляют не менее 1 мл раствора реактива. Реакции проводят в пробирке, осадок отделяют фильтрованием. Осадок на фильтре промывают от примесей.

Полумикрометод . Для анализа берут в 10-20 раз меньше вещества (до 0,01 г). Так как в этом методе работают с малыми количествами вещества, то пользуются микропробирками, часовыми или предметными стеклами. Для отделения осадка от раствора применяют центрифугирование.

Микрометод. При выполнении анализа данным методом берут одну-две капли раствора, а сухого вещества - в пределах 0,001г. Характерные реакции проводят на часовом стекле или фарфоровой пластинке.

При проведении анализа пользуются следующими операциями: нагревание и выпаривание, осаждение, центрифугирование, проверка полноты осаждения, отделение раствора (центрифуга) от осадка, промывание и растворение осадка.

Нагревание растворов можно вести непосредственно пламенем газовой горелки, на асбестовой сетке или водяной бане. Небольшое количество раствора нагревают до температуры, не превышающей 100°С, на водяной бане, вода в которой должна кипеть равномерно.

Для концентрирования растворов применяют водяную баню. Выпаривание раствора до сухого остатка проводят в фарфоровых чашках или тиглях, нагревая их на асбестовой сетке. Если сухой остаток после выпаривания необходимо прокалить для удаления летучих солей, то тигель ставят на фарфоровый треугольник и нагревают пламенем газовой горелки.

Осаждение. Реакцию осаждения проводят в конических колбах или цилиндрической пробирках. В исследуемый раствор приливают пипеткой реактив-осадитель. Осадитель берут в избытке. Смесь тщательно перемешивают стеклянной палочкой и потирают о внутренние стенки пробирки, это ускоряет процесс образования осадка. Осаждение часто ведут из горячих растворов.

Центрифугирование. Осадок отделяют от раствора центрифугированием, используя ручную или электрическую центрифугу. Пробирку с раствором и осадком помещают в гильзу. Центрифуга должна быть загружена равномерно. При быстром вращении центробежная сила отбрасывает частицы осадка на дно и уплотняет его, а раствор (центрифугат) становится прозрачным. Время вращения составляет от 30 с до нескольких минут.

Проверка полноты осаждения. Пробирку осторожно вынимают из центрифуги и добавляют по стенке 1-2 капли реактива-осадителя к прозрачному раствору. Если раствор не мутнеет, значит осаждение полное. Если же наблюдается помутнение раствора, то в пробирку еще добавляют осадитель, содержимое перемешивают, нагревают и вновь центрифугируют, затем повторяют проверку полноты осаждения.

Отделение раствора (центрифугата) от осадка. Убедившись в полноте осаждения, отделяют раствор от осадка. Раствор от осадка отделяют капельной пипеткой. Пипетку закрывают указательным пальцем и осторожно вынимают из пробирки. Если отобранный раствор необходим для анализа, то его переносят в чистую пробирку. Для полного отделения операцию повторяют несколько раз. При центрифугировании осадок может плотно осесть на дно пробирки, тогда раствор отделяют декантацией (осторожно сливают).

Промывание осадка . Осадок (если он исследуется) необходимо хорошо отмыть; для этого приливают промывную жидкость, чаще всего дистиллированную воду. Содержимое тщательно перемешивают стеклянной палочкой и центрифугируют, затем промывную жидкость отделяют. Иногда в работе эту операцию повторяют 2-3 раза.

Растворение осадка. Для растворения осадка в пробирку добавляют растворитель, помешивая стеклянной палочкой. Нередко растворение осадка ведут при нагревании на водяной бане.

Для определения количественного состава вещества или продукта используются реакции нейтрализации, осаждения, окисления - восстановления, комплексообразования. Количество вещества можно определить по его массе или объему раствора, затраченного на взаимодействие с ним, а также по показателю преломления раствора, его электрической проводимости или интенсивности окраски и т.п.

По количеству взятого для исследования вещества аналитические методы количественного анализа классифицируются следующим образом: макроанализ - 1-10 г твердого вещества, 10-100 мл анализируемого раствора; полумикроанализ - 0,05-0,5 твердого вещества, 1-10 мл анализируемого раствора; микроанализ - 0,001-1-10- 4 г твердого вещества, 0,1-1 * 10- 4 мл анализируемогораствора. В товароведной практике часто пользуются гравиметрическим (весовым) и титриметрическим (объемным) методами.

Гравиметрический (весовой) анализ - один из методов количественного анализа, который позволяет определять состав анализируемого вещества путем измерения массы. Измерение массы (взвешивание) выполняется на аналитических весах с точностью 0,0002 г. Этот метод часто используется в пищевых лабораториях для определения влажности, зольности, содержания отдельных элементов или соединений. Анализ может быть выполнен одним из следующих способов.

1. Определяемую составную часть количественно (полностью, насколько это возможно) выделяют из исследуемого вещества и взвешивают. Так определяют зольность продуктов. Взвешенный на аналитических весах исходный продукт (навеску) сжигают, полученную золу доводят до постоянной массы (прокаливают до тех пор, пока не перестанет изменяться масса) и взвешивают.

Зольность продукта х (%) рассчитывают по формуле

где В - масса прокаленной золы, г;

А - исходная навеска продукта, г.

2. Из навески исходного вещества полностью удаляют определяемую составную часть и остаток взвешивают. Так определяют влажность продуктов, при этом навеску исходного вещества высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы.

Влажность продукта х (%) рассчитывают по формуле

где А - исходная навеска продукта, г;

В - масса навески после высушивания, г.

Объемный анализ - метод количественного анализа, где искомое вещество определяют по объему реактива с точно известной концентрацией, затраченному на реакцию с этим веществом.

При определении объемным методом к известному объему раствора определяемого вещества малыми порциями (по каплям) добавляют реактив с точно известной концентрацией до тех пор, пока его количество не будет эквивалентно количеству определяемого вещества. Раствор реактива с точно известной концентрацией называется титрованным, рабочим или стандартным раствором.

Процесс медленного прибавления титрованного раствора к раствору определяемого вещества называется титрованием. Момент, когда количество титрованного раствора будет эквивалентно количеству определяемого вещества, называется точкой эквивалентности или теоретической точкой конца титрования. Для определения точки эквивалентности пользуются индикаторами, которые вблизи ее претерпевают видимые изменения, выражающиеся в изменении цвета раствора, появлении помутнения или выпадении осадка.

Важнейшие условия для правильного проведения объемно-аналитических определений: 1) возможность точного измерения объемов растворов; 2) наличие стандартных растворов с точно известной концентрацией; 3) возможность точного определения момента окончания реакции (правильный выбор индикатора).

В зависимости от того, на какой реакции основано определение, различают следующие разновидности объемного метода:

· метод нейтрализации

· метод окисления - восстановления

· метод осаждения и комплексообразования.

В основе метода нейтрализации лежит реакция взаимодействия ионов Н + и ОН - . Метод применяется для определения кислот, оснований и солей (которые реагируют с кислотами или основаниями) в растворе. Для определения кислот используют титрованные растворы щелочей КОН или NаОН, для определения оснований - растворы кислот НС1, Н 2 SO 4 .

Для определения содержания, например, кислоты в растворе точно отмеренный пипеткой объем раствора кислоты в присутствии индикатора титруют раствором щелочи точно известной концентрации. Точку эквивалентности определяют по изменению цвета индикатора. По объему щелочи, израсходованной на титрование, вычисляют содержание кислоты в растворе.

Метод окисления - восстановления основан на окислительно-восстановительных реакциях, происходящих между стандартным раствором и определяемым веществом. Если стандартный раствор содержит окислитель (восстановитель), то определяемое вещество должно содержать соответственно восстановитель (окислитель). Метод окисления-восстановления подразделяется, в зависимости от используемого стандартного раствора на метод перманганатометрии, метод иодометрии и др.

В основе метода осаждения лежат реакции, сопровождающиеся выпадением осадка. В отличие от гравиметрического метода обработку осадка здесь не производят, массу исследуемого вещества определяют по объему реактива, израсходованному на реакцию осаждения.

Задачей количественного анализа является определение количественного

бария. Гравиметрический метод дает результаты высокой точности, но он очень трудоемок.

2. Титриметрический анализ основан на точном измерении объема реактива,