Тема № 1.4. Методы анализа различных объектов. Химический анализ минералов, почв, удобрений, золы растений и костей животных, природных и сточных вод.

Раздел 2. Количественный химический анализ

2.1. Гравиметрический метод анализа

Гравиметрический метод анализа основан на точном измерении массы вещества, выделенного в виде соединения известного состава или в элементарном виде. Метод базируется на законе сохранения массы вещества в химических реакциях. Для определения веществ методом гравиметрии используют осаждение или отгонку. При отгонке определяемое вещество отгоняют в виде летучего соединения.

При анализе вещества по методу осаждения определяемый компонент выделяют в осадок, который затем отфильтровывают, промывают, высушивают, иногда прокаливают до постоянной массы и взвешивают на аналитических весах.

Количество осадка обычно эквивалентно количеству вещества, вступившего в реакцию, поэтому по количеству осадка можно рассчитать количество исходного вещества.

Например, ионы Ca²⁺ в солях можно определить методом осаждения, используя в качестве реактива оксалат аммония:

CaCl₂ + (NH₄)₂C₂O₄ = CaC₂O₄ + 2NH₄Cl.

Осадок CaC₂O₄ промывают, высушивают и прокаливают. При этом оксалат кальция переходит в оксид кальция:

CaC₂O₄ = CaO +CO₂↑ + CO↑ (t > 200 °C).

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

В связи с тем, что многие осадки при последующем прокаливании изменяют свой состав, различают осаждаемую и весовую форму осадка. В примере с определением кальция сначала была получена осаждаемая форма осадка CaC₂O₄. А при прокаливании осаждаемая форма перешла в весовую - CaO.

В ряде случаев, например, при осаждении Ba²⁺ серной кислотой, состав осаждаемой и весовой форм совпадает.

Ba²⁺ + SO₄^2- = BaSO₄.

Титриметрический метод анализа

Титриметрический метод анализа является разделом количественного анализа, в котором содержание вещества определяется путем точного измерения объема раствора реагента (титранта), вступившего в химическую реакцию с определяемым веществом. Концентрация раствора титранта должна быть точно известна.

Процесс постепенного приливания раствора-титранта к раствору анализируемого вещества называют титрованием. Момент, когда титрант добавили в исследуемый раствор в количестве, химически эквивалентном определяемому веществу, называют точкой эквивалентности. Для определения этого момента в исследуемый раствор добавляют индикатор. Окраска индикатора изменяется, когда реакция между определяемым веществом и титрантом доходит до конца. Практически изменение цвета не точно совпадает с точкой эквивалентности. В этом случае говорят о точке конца титрования (к.т.т.). Т.е. это такой момент титрования, когда по изменению окраски раствора индикатора или по другим признакам замечают конец реакции. Обычно к моменту конца титрования количество прибавляемого титранта больше или меньше, чем эквивалентное.

Титрование будет тем точнее, чем ближе к точке эквивалентности лежит точка конца титрования. Разница между точкой эквивалентности и точкой конца титрования обуславливает индикаторную ошибку титрования. Достигнув точки конца титрования, добавление титранта прекращают. По затраченному объему титранта и его концентрации вычисляют результаты анализа.

В зависимости от типа используемых реакций титриметрические методы разделяют на четыре группы:

1) методы кислотно-основного титрования, основанные на использовании реакций нейтрализации;

2) методы окислительно-восстановительного титрования;

3) методы осаждения;

4) методы комплексообразования.

По способу проведения титриметрические методы разделяют на:

1) прямое титрование;

2) обратное титрование;

3) титрование заместителя.

Независимо от типа используемой реакции для любого титриметрического определения необходимо иметь:

1) титрант - рабочий титрованный раствор;

2) индикатор (иногда раствор титранта одновременно является индикатором);

3) измерительную посуду для точного установления объемов реагирующих веществ.

Для точного отмеривания объема растворов служат бюретки, пипетки и мерные колбы. Бюретка представляет собой градуированную стеклянную трубку. На наружной стенке бюретки имеется шкала с нулевой точкой в верхней части бюретки. Бюретки емкостью менее пяти миллилитров называют микробюретками. Нижний конец бюретки оттянут и снабжен затвором (стеклянный шарик).

Уровень раствора в бюретке имеет выгнутую форму. Отсчет уровня светлых растворов следует производить по нижнему мениску, а темных растворов - по верхнему. Отсчет объема раствора, вылитого из бюретки, следует производить с точностью до сотых долей миллилитра. Обычно объем одной капли раствора составляет 0,02-0,04 мл. Для разбавления раствора до нужного объема служат мерные колбы. При заполнении мерной колбы следят, чтобы нижний мениск жидкости находился как раз на уровне метки. При выполнении этого правила объем жидкости в колбе будет соответствовать указанному на колбе объему. Мерные колбы изготавливают различных объемов: на 25, 50, 100, 200, 250, 500 и 1000 мл.

Для отбора определенного объема раствора, измеренного с достаточной для аналитических целей точностью, служат пипетки.

Пипетки бывают двух видов:

- пипетки на какой-либо один объем,

- пипетки с градуировкой.

Для того чтобы отмерить точно определенный объем раствора, оттянутый конец пипетки следует опустить в жидкость, подлежащую отбору; далее, через верхнее отверстие, ртом или резиновой грушей засосать жидкость в пипетку несколько выше метки. Затем нужно быстро заткнуть указательным пальцем правой руки верхнее отверстие пипетки и, постепенно ослабляя палец, довести объем раствора до метки. Пипетки градуируются таким образом, что объем свободно вытекающей жидкости точно отвечает указанному на пипетке объему. Поэтому не следует выдувать или вытряхивать не слившуюся со стенок жидкость.

Так как стекло расширяется при нагревании, объем бюреток, пипеток и мерных колб будет меняться с температурой. Градуировку мерной посуды обычно проводят для температуры 20 °C, поэтому и пользоваться ею нужно только при комнатной температуре. Помимо бюреток, пипеток и мерных колб, в количественном анализе применяются мерные цилиндры и мензурки.

Мерные цилиндры и мензурки имеют грубую калибровку и предназначены для приблизительного определения объема различных реактивов, величина объема которых не фигурирует в расчетах результатов анализа.