11.2. Количественный анализ

Задачей количественного анализа является определение количественного содержания компонентов в объекте.

При количественном анализе измеряют различные химические, физические и физико-химические параметры анализируемого образца, которые зависят от его состава или содержания того или иного компонента.

В соответствии с этим все методы количественного анализа можно разделить на химические и инструментальные (физические и физико-химические).

Химические методы анализа включаютгравиметрические (весовые)и титриметрические (объемные) методы.

Гравиметрические методы основаны на измерении массы определяемого компонента пробы, отделенного от остальных компонентов системы в виде соединения с точно известным составом.

Обычно выделение компонента проводят путем осаждения, иногда – в виде летучего соединения (методы отгонки).

Сущность методов осаждения заключается в том, что определяемый компонент раствора вступает в химическую реакцию с прибавляемым реагентом-осадителем, образуя малорастворимый продукт – осадок, который отделяют, промывают, высушивают и взвешивают на аналитических весах.

Сущность методов отгонки заключается в том, что определяемый компонент выделяют из анализируемой пробы в виде газообразного вещества и измеряют либо массу отогнанного вещества (прямой метод), либо массу остатка (косвенный метод).

Менее трудоёмким является электрогравиметрический метод, при котором определяемый металл, например, серебро, осаждают на катоде (платиновой сетке):

Ag⁺+ 1e^–Ag⁰.

По разности массы катода до и после электролиза определяют массу металла в анализируемом растворе. Однако этот метод можно использовать только для анализа металлов, на которых не выделяется водород (медь, серебро, ртуть).

Титриметричесике методы заключаются в точном измерении объемов растворов реагирующих веществ. В титриметрическом анализе измеряют объемы двух взаимодействующих растворов и по известной концентрации одного из них определяют неизвестную концентрацию другого.

Вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах (n₁ = n₂). Так как

,

(14.2.1)

где С – молярная концентрация эквивалента, а V – объем, в котором растворено вещество, то для двух стехиометрически реагирующих веществ справедливо соотношение

.

(14.2.2)

Следовательно, можно найти неизвестную концентрацию одного из веществ (например, С₂), если известны объем его раствора и объем и концентрация прореагировавшего с ним вещества.

Зная молекулярную массу эквивалента M, находят массу вещества:

.

(14.2.3)

Чтобы зафиксировать конец реакции, который называют точкой стехиометричности, или точкой эквивалентности (т. э.), раствор с известной концентрацией вещества (его называют титрантом) постепенно, небольшими порциями добавляют к раствору определяемого вещества. Этот процесс называют титрованием.

Экспериментально конец титрования устанавливают по изменению цвета индикатора или какого-либо физико-химического свойства раствора. Эта точка называется конечной точкой титрования (к. т. т.) и в общем случае не совпадает с теоретически рассчитанной точкой эквивалентности.

Индикатор – это вещество, которое в области т. э. изменяет свой цвет, образует осадок или вызывает какой-то другой аналитический сигнал.

По классификации, основанной на природе аналитической реакции, лежащей в её основе, различают: кислотно-основное титрование (связано с переносом протона); осадительное титрование (связано с образованием малорастворимых соединений); комплексонометрическое титрование (связано с образованием координационных соединений); окислительно-восстановительное титрование (связано с переносом электронов).

В основе кислотно-основного титрованиялежит реакция нейтрализации

Н⁺+ ОН^–⇄Н₂О,

поэтому метод кислотно-основного титрования также называют методом нейтрализации.

Например, данный метод позволяет определить концентрацию кислоты титрованием раствором щелочи и наоборот. В процессе титрования изменяется рН раствора, поэтому т. э. (точка эквивалентности) устанавливается при помощи кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску в определённом интервале рН; к. т. т. (конечную точку титрования) получают с помощью рН-метра.

Зависимость изменения рН титруемого раствора от объёма прибавленного титранта представляют в виде кривых титрования.

Кривая титрования – это зависимость измеряемого параметра системы (рН, концентрации, потенциала) от объема титранта.

Метод кислотно-основного титрования наряду с комплексонометрическим применяют для определения такого технологического параметра воды, как жёсткость.

Определение жесткости воды

Жесткость воды характеризуют молярной концентрацией эквивалентов кальция и магния и выражают в ммоль/дм³. Суммарное содержание в водном растворе солей кальция и магния составляет общую жёсткость, которая делится накарбонатную, или устранимую, жесткость ипостоянную.Карбонатная жесткость определяется содержанием в воде гидрокарбонатов, при кипячении они разлагаются:

Са(НСО₃)₂= СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂,

Mg(НСО₃)₂=Mg(ОН)₂↓ + 2СО₂,

и жесткость воды уменьшается. Поэтому карбонатную жесткость называют устранимой.

Постоянная жесткость вызывается наличием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния и при кипячении не уменьшается.

Карбонатную жесткость воды можно определить методом кислотно-основного титрования хлороводородной кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого:

НСО+ Н⁺ ⇄Н₂О + СО₂.

В точке эквивалентности желтая окраска индикатора переходит в бледно-розовую. Расчет производится по уравнению (4.4.2.2):

С_{н НСО3–} ·V₁=С_{н НСl ·} V₂,

где V₁ иV₂– объёмы анализируемого и титрованного растворов;С_{н НСl}– молярная концентрация эквивалентов вещества НСlвтитрованном растворе, С_{н НСО} – определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов НСОв анализируемом растворе.