Принцип расчета результатов гравиметрического анализа

Сущность и общая оценка метода. Классификация методов гравиметрического анализа. Общая схема анализа в методе осаждения. Осаждаемая и гравиметрическая формы, требования к ним.

Общие положения

Гравиметрический анализ (гравиметрия)

И.П.Калинкин, Т.Э.Маметнабиев

Гравиметрическим анализом называют метод количественного химического анализа, основанный на точном измерении массы определяемого вещества или его составной части, выделенной в элементарном виде, или в виде малорастворимого соединения определенного состава.

Гравиметрические методы делятся на три группы: методы осаждения, методы отгонки и методы выделения. Наиболее распространены методы осаждения, поэтому можно встретить и такую формулировку: гравиметрия – метод количественного анализа, в котором переведенную в раствор составную часть пробы осаждают в виде малорастворимого соединения, по массе которого на основе законов стехиометрии находят количество (массу, массовую долю) определяемого компонента.

Гравиметрические методы разработаны для большинства неорганических анионов и катионов, для нейтральных соединений таких, как вода, диоксид серы, углекислый газ, йод а также для целого ряда органических соединений.

Достоинством гравиметрических методов является их высокая точность: при анализе простых образцов с содержанием определяемого аналита более 1% погрешность анализа можно снизить до 0.1 – 0.2 % что редко удается другими методами. При увеличении сложности состава образца погрешности неизбежно возрастают или приходится затрачивать массу времени на их преодоление.

Недостатками гравиметрических методов являются, во – первых, то, что реагенты, используемые в гравиметрии, за редким исключением, не очень специфичны, поскольку они способны образовывать осадки с группой ионов. Следовательно, требуется предварительное отделение или маскирование мешающих ионов. Во – вторых, как следует из схемы 3.1, в которой представлена последовательность операций гравиметрического анализа в самом общем случае, его длительность и трудоемкость. Поэтому эти методы оправдывают себя, как правило, при анализе единичных образцов, когда требуется высокая точность анализа (см с.).

Осаждаемой формой (ОФ) называют малорастворимое соединение, в виде которого из раствора выделяют определяемый компонент. Часто осаждаемая форма не имеет определенного состава, например, Fe(OH)₃· n H₂O, Al(OH)₃· n H₂O. Требования к осаждаемой форме:

1. Должна быть обеспечена полнота выделения определяемого компонента (аналита) не менее, чем на 99,9%. Для выполнения этого условия осадок должен обладать очень малой растворимостью: не более, чем

1∙10⁻⁶ моль∙л⁻¹ . Осаждение определяемого аналита считается количе–

Схема 3.1 – Общая схема гравиметрического анализа

ственным, если, потери за счет растворимости осадка, включая потери при его промывании, будут меньше пределов точности взвешивания на аналитических весах, которая обычно составляет ±0.1 мг (±0.0001г).

2. Осадок должен получаться в форме, удобной для отделения его от раствора (фильтрованием или центрифугированием) и его промывания и не должен быть загрязнен примесями, не удаляемыми при промывке. Как правило, наибольшие проблемы в этом плане представляют аморфные осадки (Fe(OH)₃ ·n Н₂O, Al(OH)₃ ·n H₂O), сильно адсорбирующие посторонние ионы. Кроме того, некоторые кристаллические осадки также сорбируют посторонние ионы (BaSО₄) или способны образовывать коллоидные растворы (AgCl). И в том, и в другом случае приходится подбирать особые условия осаждения и промывания осадка, а иногда и маскировать посторонние ионы.

Осадок должен легко и полно переходить в гравиметрическую форму при просушивании или прокаливании. В принципе стараются избегать слишком высоких температур прокаливания (>900–1000°C), но, к сожалению, это не всегда возможно. В подавляющем большинстве случаев высушивание дает менее "точные" результаты, чем прокаливание.

Гравиметрической (весовой) формой (ГФ) называют соединение, массу

которого непосредственно измеряют взвешиванием. Требования к гравиметрической форме:

1. Гравиметрическая форма осадка должна быть стехиометрическим соедине-нием определенного состава. Это абсолютно необходимое условие лежит в основе всех расчетов.

2. Гравиметрическая форма должна иметь высокую химическую устойчивость на воздухе, то есть не поглощать влагу или CO₂, не окисляться кислородом. Так, например, CaO не является идеальной весовой формой, поскольку он весьма гигроскопичен и образует CaCO₃ за счет поглощения CO₂ из воздуха. В ряде случаев для выполнения этого условия приходится сильно повышать температуру прокаливания: осадок Al(OH)₃· n H₂O полностью переходит в Al₂O₃ уже при 700–800°C, но полученный при такой температуре Al₂O₃слишком гигроскопичен.

3. Желательно, чтобы содержание определяемого элемента в гравиметрической форме было как можно меньше. В этом случае уменьшается погрешность и увеличивается чувствительность анализа.

Получаемые в ходе осаждения и прокаливания осадки часто имеют различный состав, то есть химик взвешивает не то соединение, которое было получено при осаждении, а какое - то другое, как видно из таблицы 2.1.

При расчете результатов гравиметрического анализа исходят из уравнения

материального баланса (закона сохранения массы), согласно которому число атомов данного типа в изолированной системе неизменно.

Принцип расчета рассмотрим на примере определения бария, магния и Fe₃O₄. Ионы бария осаждают в виде малорастворимого соединения BaSO₄, которое взвешивают после прокаливания. Первым этапом расчета является написание уравнения реакции

Ba²⁺ + SO₄²⁻= BaSO₄↓ или схемы превращения Ba → BaSO₄↓

На втором этапе составляют уравнение материального баланса, исходя из постоянства количества вещества, участвующего в реакции:

n (Ba) = n (BaSO₄).

Учитывая, что в общем случае количество вещества n( X) связано с его массой m (X) и молярной массой М (Х) уравнением ,

Таблица 3.1 - Схемы некоторых гравиметрических определений(подробно [ ])

Определя­емый ион	Осадитель	Осаждаемая форма	Температура высушивания или про­каливания	Гравиметрическая форма
Ba^2+	H2SO4	BaSO4	800 – 900°C	BaSO4
SO4^2^–	BaCl2	BaSO4	800 – 900°C	BaSO4
Fe^3+	NH3 (aq)	Fe(OH)3· n H2O	800 – 900°C	Fe2O3
Al^3+	NH3 (aq) C9H6NOH	Al(OH)3· n H2O Al(C9H6NO)3	1200°C 130°C	Al2O3 Al(C9H6NO)3
Ca^2+	C2O4^2–	CaC2O4·H2O	900 – 1200°C	CaO
Mg^2+	(NH4)2HPO4	MgNH4PO4·6H2O	1100°C	Mg2P2O7
Ni^2+	C4H8O2N2	Ni(C4H7O2N2)	110 – 120°C	Ni(C4H7O2N2)

можно записать .

Отсюда: ,

где отношение молярной массы определяемого компонента к молярной массе гравиметрической формы осадка называют гравиметрическим фактором и обозначают буквой F. Следовательно,. Тогда можно записать: .

В общем случае массу определяемого компонента X в гравиметрическом анализе рассчитывают по формуле: m (X) = m (ГФ)∙ F, где m (ГФ) – масса гравиметрической формы осадка. Численные значения F для различных гравиметрических форм приведены в справочниках. При вычислении гравиметрического фактора необходимо учитывать стехиометрию реакции осаждения или термического превращения. Если в общем случае количества вещества определяемого компонента и его гравиметрической формы связаны стехиометрическим соотношением , то , где a и b стехиометрические коэффициенты. Гравиметрический фактор в этом случае выражается формулой:

Таким образом гравиметрический фактор − это отношение молярной массы определяемого компонента к молярной массе гравиметрической формы с соответствующими стехиометрическими коэффициентами.

Например:

1) при определении магния в виде пирофосфата магния (ГФ) гравиметрический фактор вычисляют, исходя из схемы:

Поскольку в этом превращении a = 2, b = 1, то , то масса

2) при расчете массы Fe₃O₄ по массе гравиметрической формы Fe₂O₃ исходят из схемы превращения:

Здесь a = 2, b = 3, поэтому выражение для гравиметрического фактора имеет вид:

,а масса При анализе сложных по составу объектов часто необходимо рассчитать не массу, а массовую долю определяемого компонента ω (X)(% масс):

Дата добавления: 2014-01-11