что такое гравиметрический метод

Гравиметрия (химия)

Гравиметрия (весовой анализ) — метод количественного анализа в аналитической химии, который основан на изменении массы определяемого компонента, выделенном в виде веществ определённого состава.

Используется уравнение химической реакции типа: aX + bR = XaRb для получения осадка XaRb

При выполнении весовых определений определяемый компонент смеси, или составную часть (элемент, ион) вещества количественно связывают в такое химическое соединение, в виде которого она может быть выделена и взвешена (так называемая гравиметрическая форма, ранее она именовалась «весовая форма»). Состав этого соединения должен быть строго определённым, то есть точно выражаться химической формулой, и оно не должно содержать каких-либо посторонних примесей.

В гравиметрии используются различные неорганические и органические химические соединения. Так, например, 1,2,3-Бензотриазол применяется для гравиметрического определения металлов: меди, серебра, цинка и др.

Вершины своего развития весовой анализ достиг в 1950-е годы, когда ещё не было широкого применения спектральных и хроматографических методов.

В настоящее время он остаётся своеобразным эталоном, методической базой при разработке и аттестации других методов.

В гравиметрии есть три метода: отгонка, осаждение и выделение.

Гравиметрические методы применяют редко. Основное их достоинство — исключается построение калибровочных графиков (построение графика при анализе многокомпонентных смесей затруднительно, из-за невозможности приготовления стандартной смеси, точно моделирующей пробу, не зная заранее состава пробы). Гравиметрические методы применяют в качестве арбитражных при определении магния, натрия, кремнекислоты, сульфат-ионов, суммарного содержания нефтепродуктов, жиров. [1]

Содержание

Применение гравиметрического анализа

Методы гравиметрии

Метод осаждения

Поскольку осаждённое вещество может не соответствовать тому, что получается после прокаливания, различают осаждаемую и гравиметрическую форму осадка.

где CaC₂O₃ будет являться осаждаемой формой, так как при прокаливании он изменяет свой состав:

Метод выделения

Основан на выделении определяемого компонента из анализируемого вещества и его точном взвешивании. Например определение золы в твердом топливе.

Метод отгонки

В этом методе определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения действием кислоты или высокой температуры. Возможны различные варианты этого метода:

Отбор средней пробы и ее подготовка к анализу

Способы отбора средних проб

Виды средних проб

Дальнейшая подготовка пробы состоит: в измельчении, перемешивании и уменьшении массы. Для этого используют метод квартования, которое повторяют многократно.

Взятие навески

Выбор величины навески

При слишком малой навеске ошибки во взвешивании и других операциях значительно снижают точность определения. Таким образом, выбор величины навески анализируемого вещества определяется массой осадка, наиболее удобной в работе. На бумажном фильтре диаметром 7 см можно легко отфильтровать 0,5 г кристаллического осадка (BaSO₄, CaCO₃, CaC₂O₃ и т. д.), но с такой же массой аморфного осадка (H₂SiO₃*nH₂O, Fe(OH)₃, Al(OH)₃) работать трудно. Аналитической практикой установлено, что наиболее удобны в работе кристаллические осадки массой 0,4-0,5 г и объемистые аморфные осадки массой 0,1-0,3 г.

Учитывая эти нормы осадков и зная относительное содержание определяемого элемента в веществе, выбирают необходимую величину навески.

Иногда, выбирая навеску, учитывают необходимую точность определения и возможные потери из-за растворимости осадка. Выбор величины навески зависит ещё от метода, с помощью которого будет выполнятся анализ (макро, полумикро или микроанализ). При определениях, не связанных с получением осадка (изучение влажности, зольности) допустимы навески в 1-2 г, а иногда и больше.

Так как взвешивание на аналитических весах более длительное, приблизительную навеску берут сначала на техно-химических весах, а затем точно взвешивают на аналитических весах. Навески порошкообразных веществ удобно взвешивать в пробирке с пробкой. На часовом стекле взвешивают только те вещества, которые не выделяют паров и не поглощают вещества из окружающей среды, в противном случае вещество взвешивают в бюксе.

Техника взятия навески

Техника взятия навески может быть различна:

Такой способ более удобен в тех случаях, когда необходимо взять несколько навесок анализируемого вещества.

Растворение

Пробы труднорастворимых органических веществ разлагают двумя способами:

Источник

Гравиметрия. Формы осадка, фактор пересчета, методика

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

ГРАВИМЕТРИЯ

Формы осадка в гравиметрическом анализе

Гравиметрия — химический метод анализа, в ходе которого определяемое вещество выделяют из раствора в виде малорастворимого осадка. Осадок подвергают необходимой обработке и взвешивают. Из полученного значения массы находят содержание определяемого компонента. Необходимо, чтобы осаждение было количественным (99,9 %). Следует избегать загрязнения осадка другими веществами, т. е. не должно быть соосаждения, адсорбции.

В практике химических лабораторий обычно пользуются методиками с уже готовыми формулами для расчета. Существуют две формы осадка в гравиметрическом анализе осаждаемая и весовая.

Осаждаемая форма — соединение, осаждаемое из раствора и содержащее анализируемый элемент.

Весовая (гравиметрическая) форма — соединение, массу которого непосредственно измеряют взвешиванием. Формы могут совпадать или не совпадать по составу (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Примеры форм гравиметрического определения элементов

При прокаливании происходит удаление воды. Поэтому осаждаемая и весовая формы не совпадают.

Требования к осаждаемой форме:

Требования к гравиметрической форме:

Для получения осадка в гравиметрическом анализе раствор после действия осадителя фильтруют, осадок промывают, а затем высушивают или прокаливают. Если осадок прокаливают перед взвешиванием (например, Al(OH)3), то используют бумажные фильтры.

Если осадок кристаллический (например, BaSO4), то можно использовать фарфоровые фильтрующие тигли. Если осадок высушивают (например, сульфиды, хелатные комплексы), то используют стеклянный фильтрующий тигель.

Фактор пересчета

Фактор пересчета F — доля определяемого компонента в гравиметрической форме соединения, содержащего этот компонент:

После определения фактора пересчета и массы гравиметрической формы получаем результат анализа Х:

Гравиметрический анализ имеет высокую точность, но является длительным и трудоемким процессом. Он применим для определения почти любого элемента, часто используется для получения стандартов.

Гравиметрический анализ применяют для определения влажности пищевых продуктов (макаронные изделия, сахар, сухофрукты, колбасы, хлеб и т. д.).

Для этого анализа используют следующие методы:

Влажность различных продуктов определяется содержанием в них гигроскопической влаги. Эта вода удерживается веществом за счет физической адсорбции. Нет строгих соотношений содержания молекул воды. Удаление воды происходит при температуре 70−105С при выдерживании в сушильном шкафу.

При кристаллизации многих веществ в состав его может входить кристаллизационная вода. Молекулярная формула вещества включает определенное количество молекул воды:

Удаляется кристаллизационная вода при 105–120 С. Связанная вода входит в состав молекулы вещества (химическая связь). Связанная вода входит в состав гидроксидов металлов Ca(OH)2; Cu(OH)2; Al(OH)3. Удалить эту воду можно прокаливанием в муфельной печи при температуре более 200С.

Методика проведения гравиметрического анализа

Высушивание бюкса до постоянного веса. Чистый сухой бюкс помещают в сушильный шкаф (110–120С), выдерживают 30–40 мин, охлаждают в эксикаторе 20–30 мин (рис. 2.1) и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Операцию повторяют до тех пор, пока масса бюкса будет отличаться от предыдущего взвешивания не более чем на 2 единицы в четвертом знаке после запятой.

Рис. 2.1. Выдерживание бюкса в эксикаторе

Взвешивание пробы. Вещество должно быть измельчено, состав его должен соответствовать среднему составу всей партии. Взвешивают пробу на аналитических весах. В доведенный до постоянного значения массы бюкс переносят навеску пробы 1,5–2,0 г.

Высушивание навески до постоянного веса. Бюкс с навеской помещают в сушильный шкаф. Температура в нем зависит от вещества, которое мы анализируем:

● 110−120С — для неорганического вещества;

● 70–105С — для органического вещества.

Выдерживают при этой температуре вещество в бюксе в сушильном шкафу 1,5−2,0 ч, охлаждают 20−30 мин в эксикаторе, затем взвешивают. Последующие процедуры выдерживания проб в сушильном шкафу проводят уже по 40 мин. Крышку бюкса ставят в сушильном шкафу на ребро.

Прокаливание в муфельной печи проводят в тигле аналогично.

Косвенные методы определения влажности. В товароведении чаще всего пользуются косвенными методами определения влажности и обычно применяют методы, основанные на высушивании. Эти методы являются самыми распространенными при определении влажности в пищевых продуктах. При высокой температуре и нормальном атмосферном давлении из продукта в первую очередь удаляется свободная вода, а в дальнейшем — некоторое количество связанной воды с различной интенсивностью в зависимости от типа связи воды с другими составными веществами продукта. В высушенной навеске всегда остается небольшое количество связанной влаги. Поэтому величина влажности, полученная методом высушивания, точнее характеризует фактическую влажность продукта. Для получения сравнимых данных необходимо строгое соблюдение условий сушки, главным образом времени и температуры.

Определение содержания влаги высушиванием до постоянной массы (арбитражный метод). В стеклянный или металлический бюкс насыпают 12–15 г очищенного кварцевого песка и помещают в него стеклянную палочку. Бюкс высушивают в сушильном шкафу (рис. 2.2) до достижения постоянной массы (расхождение между двумя последовательными взвешиваниями допускается в пределах ±0,001 г). В высушенный и тарированный бюкс помещают от 3 до 10 г тщательно перемешанного измельченного анализируемого продукта, взвешивают на аналитических весах, тщательно перемешивают навеску с песком стеклянной палочкой. Открытый бюкс с навеской помещают в сушильный шкаф (крышку высушивают вместе с бюксом). Высушивание производят при температуре 95−105 °С (в зависимости от вида продукта) до постоянного значении массы (допустимые расхождения 0,005−0,001 г). Перед каждым взвешиванием бюкс с закрытой крышкой охлаждают в эксикаторе.

Рис. 2.2. Определение содержания влаги высушиванием в сушильном шкафу СЭШ-3М

Содержание влаги (X, %) вычисляют по формуле:

Расхождение между двумя измерениями содержания влаги не должно превышать 0,3 %. Анализ применяется в различных зерновых и зерноперерабатывающих лабораториях элеваторов, хлебоприемных, мукомольных, крупяных, комбикормовых, хлебопекарных предприятий и научноисследовательских учреждений агропромышленного комплекса.

Определение содержания влаги разовым высушиванием (ускоренный метод). В доведенный до постоянной массы бюкс (с песком или без песка в зависимости от вида высушиваемого продукта) помещают 3 или 5 г тщательно перемешанного измельченного образца. Взвешивание производят с точностью до 0,01 г.

У большинства продуктов влажность ускоренным методом определяют при температуре 130 °С. Бюкс с навеской выдерживают строго установленное время для каждого вида продукта. Затем бюксы вынимают из сушильного шкафа, закрывают крышками, помещают в эксикатор, охлаждают и взвешивают. Содержание влаги в продукте рассчитывают по вышеуказанной формуле.

Высушивание на приборе ВЧ (влагомер Чижовой, рис. 2.3). Метод основан на обезвоживании навески исследуемого продукта с помощью тепловой энергии инфракрасного излучения.

Рис. 2.3. ВАРЦ-21М — прибор Чижовой для определения влажности теста, пищевого сырья и продуктов, хлебобулочных изделий

Прибор ВЧ состоит из двух шарнирно-соединенных между собой массивных металлических плит 1 и 2, нагреваемых плоскими электронагревателями. Быстрота высушивания обеспечивается прогревом исследуемого продукта, распределенного тонким слоем между плитами, обычно при температуре 160 °С. Высушивание навесок осуществляют в специальных пакетах.

Подготовленные пакеты вкладывают между пластинами нагретого прибора и высушивают в течение 3 мин, затем охлаждают в эксикаторе 5 мин и взвешивают на технохимических весах с точностью до 0,01 г. Во взвешенные пакеты помещают навески измельченного продукта по 4−5 г и распределяют их равномерно по толщине слоя и внутренней поверхности пакета. Пакеты с содержимым быстро взвешивают на технохимических весах, загибают края и помещают в прибор для высушивания.

Два взвешенных пакета с навесками (проводят два параллельных измерения) высушивают определенное время, затем пакеты охлаждают в эксикаторе в течение 5 мин и взвешивают с точностью до 0,01 г. Влажность рассчитывают по вышеуказанной формуле, только вместо массы бюкса указывают массу пакета.

Источник

Гравиметрический метод анализа: сущность и характеристика

Одним из самых доступных методов исследования веществ в аналитической химии является гравиметрия. Главное, на чем основан гравиметрический метод анализа, это точное измерение массы определяемого соединения, выделенного как вещество с известным составом или же в элементарном виде. Для этого используют испарение, отгонку, сублимацию или осаждение.

Суть метода

Гравиметрия имеет важное значение для количественного анализа. Гравиметрический метод заключается в определении массы некоторого компонента в образце, подвергаемом анализу. Для этого производят точное взвешивание вещества в устойчивой конечной форме, в которую переведен измеряемый компонент. Его должно быть можно легко отделить и взвесить.

Чаще всего используют в качестве растворителя в гравиметрическом методе анализа воду. И для того чтобы выделить максимальное количество определяемого соединения, полученный осадок должен обладать минимальной растворимостью в ней. Поскольку растворимость соли связана с константой равновесия процесса, то снизить ее можно добавлением в раствор стехиометрического избытка осаждающего реагента.

Достоинства и недостатки

Гравиметрический метод анализа, как и все другие методы исследования веществ, имеет свои плюсы и минусы. Отличает его в первую очередь высокая точность определения массы вещества в анализируемой пробе. Кроме того, для проведения исследования не требуется сложное оборудование, и оно может быть проведено практически в каждой лаборатории. Также немаловажным является тот факт, что для анализа не нужно проводить калибровку приборов и готовить серию стандартных растворов.

Основным минусом гравиметрии является длительность проведения анализа. Дополняет его необходимость проверки качества весовой формы. Так, она не должна содержать примесей, и ее состав должен быть известен достоверно.

Все эти преимущества и недостатки гравиметрического метода анализа обуславливают тот факт, что применяют его сравнительно редко, в крайней необходимости. Например, его применяют для контроля результатов в сомнительных случаях.

Принципы метода

Гравиметрический анализ базируется на трех фундаментальных законах химии. К ним относятся:

Области применения

Несмотря на то что гравиметрический метод количественного анализа применяется не так уж и часто, он является незаменимым в ряде случаев:

Типы весовых определений

Поскольку в ходе гравиметрического метода анализа происходит неоднократное измерение массы, весовые определения принято делить на три типа. К первому относят те, в ходе которых определяемую часть количественно выделяют из анализируемого образца и взвешивают. Например, определение содержания золы в каменном угле (зольности).

Второй тип требует удаления определяемой составной части и взвешивания остатка. Таким способом измеряется влажность материалов гравиметрическим методом анализа. Сущность метода состоит во взвешивании образца до и после прокаливания (или высушивания).

Третий тип наиболее сложен, поскольку требует количественного связывания измеряемого компонента в химическое вещество, которое можно выделить и взвесить. В этом случае анализируемое соединение существует в двух формах:

Виды гравиметрии

Характеристику гравиметрическому методу анализа можно давать по различным признакам. Так, по типу лежащей в его основе химической реакции могут идти процессы разложения, замещения, обмена или образования комплексов.

По способу получения осадка и его отделения гравиметрические методы делят на:

Взвешивание

Первой из основных операций гравиметрического метода анализа является взятие навески. Погрешность аналитических весов, которые используются для данной процедуры, должна быть не менее 0,0001 г. Для того чтобы взять точную навеску, нужно воспользоваться одним из двух методов.

Растворение

Выбор растворителя является одним из важных этапов гравиметрического метода анализа. Вода в данном случае не является единственно верным решением. Основным условием здесь следует назвать максимально возможное растворение, а для этого необходимо основываться на химическом составе исследуемой пробы. Нередко для этих целей применяют неорганические кислоты или их смеси, а также растворы щелочей. Так, металлы и их сплавы, оксиды, сульфиды и другие соли чаще всего растворяют в концентрированных или разбавленных кислотах.

Сам процесс растворения навески ведут в химическом стакане подходящего объема. Важно не допустить потерь вещества, которые могут происходить при разбрызгивании раствора из-за чрезмерно активной реакции или выделения пузырьков газа. Растворитель следует добавлять постепенно, малыми порциями, вливая его по внутренней стенке стакана. Порой для ускорения процесса растворения содержимое стакана нагревают.

В некоторых случаях вещества невозможно перевести в раствор с использованием жидких реагентов. Тогда прибегают к использованию плавней, с которыми исследуемый образец сплавляют перед растворением.

Осаждение

Эта стадия является отражением сущности метода гравиметрического анализа. Кратко метод осаждения можно описать как химическую реакцию, сопровождающуюся образованием нерастворимого вещества. В качестве осадителей применяют как неорганические, так и органические соединения. Для правильного проведения осаждения необходимо:

Осаждение осуществляют в химических стаканах, чаще всего из разбавленных горячих растворов медленным прибавлением осадителя с непрерывным перемешиванием раствора. Осадитель помещают в бюретку, закрепленную на штативе (реже добавляют пипеткой). Анализируемый раствор доводят до нужного объема и нагревают, стараясь не доводить до кипения. Опускают в стакан стеклянную палочку с резиновым наконечником и ставят его под бюретку таким образом, чтобы носик бюретки находился внутри стакана. А затем по каплям прибавляют осадитель при непрерывном помешивании. Далее убеждаются в полноте осаждения, позволив осадку осесть и добавив к просветленному раствору еще несколько капель осадителя. Если в местах падения капель не появляется мути, то осаждение прошло в полном объеме.

Механизм осаждения

Правильное протекание этого процесса существенно влияет на результаты гравиметрического метода анализа. Кратко его суть можно описать несколькими стадиями:

Отделение осадка

Этот процесс проводят путем фильтрования раствора. Делают это либо после его созревания, либо после осаждения. В качестве оборудования и материалов применяют фильтрующие тигли и беззольные бумажные фильтры.

Используют два типа фильтрующих тиглей: фарфоровые и стеклянные. Дно первых неглазурированное и пористое, причем в зависимости от диаметра пор они различаются по номерам. Дно стеклянных фильтров является пористой стеклянной пластинкой с различным размером пор. Обычно промывание тиглей и фильтрование через них осадков проводят с отделением жидкости под вакуумом.

Чаще в гравиметрическом методе анализа применяют особые бумажные фильтры. В связи с тем, что бумага имеет высокую гигроскопичность, взвешивание осадка с фильтром является ошибочным. Поэтому фильтр и находящийся на нем осадок помещают в тигель и сжигают. Поскольку после этого золы от фильтров остается крайне мало (около 0,1 г), их и называют беззольными. Однако стоит своевременно внести поправку на их использование с учетом известной массы золы. Такие фильтры могут быть различной плотности и размеров пор. Это маркируется цветом ленты на пачке фильтров.

В ходе фильтрования сначала пропускают через фильтровальную бумагу прозрачный раствор. Крупнокристаллические осадки, которые легко фильтруются, можно промывать прямо на фильтре. Аморфные студенистые осадки перед переносом на фильтр промывают декантацией, путем слива прозрачной промывной жидкости над осадком через фильтр и взмучиванием осадка промывной жидкостью и повторным сливом. На фильтре отделенный осадок также промывают малыми порциями промывной жидкости. Чтобы перенести на фильтр ту часть осадка, которая пристала к стакану или стеклянной палочке, осторожно споласкивают над стаканом, содержащим оставшийся осадок, палочку и стакан из промывалки. Затем маленьким кусочком беззольного фильтра следует протереть палочку, стараясь снять частицы осадка, и добавляют его к осадку на фильтре.

Осадок, находящийся на фильтре, промывают 3-4 раза, с интервалом времени, достаточным для полного стекания жидкости. Далее подходящим реагентом проверяют полноту промывания осадка. После полного стекания промывной жидкости осадок с фильтром немного просушивают в сушильном шкафу прямо на воронке при 100-150 °С. Фильтр после этого должен оставаться немного влажным. Его края отделяют от воронки шпателем, закрывая ими осадок полностью. После этого фильтр с осадком вынимают из воронки и помещают в тигель, который был предварительно взвешен.

Высушивание

После того как тигель, содержащий осадок и фильтр, довели до постоянной массы, его выставляют в фарфоровый треугольник, размещенный на кольце штатива в муфельной печи. Нагревание ведут медленно. В случае быстрого нагрева может случиться выброс частиц осадка с испаряющейся влагой. После полного удаления жидкости нагрев увеличивают для постепенного обугливания фильтра. Важно подобрать такую температуру, при которой бумага обуглится, но не воспламенится, чтобы не увлечь частицы вещества из тигля. После прокаливания и удаления фильтра тигель помещают в эксикатор и охлаждают до комнатной температуры. После этого взвешивают и повторяют прокаливание. Делают это столько раз, сколько необходимо для получения постоянной массы.

Расчеты

Не менее важной частью гравиметрического метода анализа являются расчеты. Поскольку процесс этот многостадийный, да и реактивов обычно используется несколько, необходимо математическое обоснование приемлемых масс и объемов. Для проведения исследования необходимо рассчитать:

Методики и формулы подробно расписаны Шапиро в учебнике по аналитической химии и гравиметрическому методу анализа. Точность каждого их этих пунктов несколько отличается. Первые три рассчитывают приближенно, а результаты анализа вычисляют до десятичных долей граммов.

Обработка результатов

Тогда, когда определяемая часть образца выделена в той же форме, что и в пробе, то ее содержание х находят по формуле: x=(m₀·100)/m_н, где m₀ — масса выделенной части; m_н — навеска.

Массовую долю определяемого компонента в образце ω рассчитывают по формуле: ω=(m_грав.ф·F·100)/m_н.

Вывод формулы

Если целью гравиметрического метода анализа соединения является вывод формулы, то полученные данные по элементам вносят в соотношение:

Источник