Гравіметричний метод аналізу: сутність і характеристика

Одним з найбільш доступних методів дослідження речовин в аналітичній хімії є гравіметрія. Головне, на чому заснований гравіметричний метод аналізу, це точне вимірювання маси визначається з’єднання, виділеного як речовина з відомим складом або ж в елементарному вигляді. Для цього використовують випаровування, відгін, сублімацію або осадження.

Суть методу

Гравіметрія має важливе значення для кількісного аналізу. Гравіметричний метод полягає у визначенні маси деякого компонента в зразку, подвергаемом аналізу. Для цього проводять точне зважування речовини в стійкій формі, в яку переведений вимірюваний компонент. Його повинно бути можна легко відокремити і зважити.

Найчастіше використовують у якості розчинника в гравіметричному методі аналізу воду. І для того щоб виділити максимальну кількість визначуваного з’єднання, отриманий осад повинен володіти мінімальною розчинністю в ній. Оскільки розчинність солі пов’язана з константою рівноваги процесу, знизити її можна додаванням в розчин стехіометричного надлишку осаждающего реагенту.

Переваги і недоліки

Гравіметричний метод аналізу, як і всі інші методи дослідження речовин, має свої плюси і мінуси. Відрізняє його в першу чергу висока точність визначення маси речовини в аналізованій пробі. Крім того, для проведення дослідження не потрібне складне обладнання, і воно може бути проведено практично у кожної лабораторії. Також важливим є той факт, що для аналізу не потрібно проводити калібрування приладів і готувати серію стандартних розчинів.

Основним мінусом гравіметрії є тривалість проведення аналізу. Доповнює його необхідність перевірки якості вагової форми. Так, вона не повинна містити домішок, і її склад повинен бути відомий достовірно.

Всі ці переваги і недоліки гравіметричного методу аналізу обумовлюють той факт, що застосовують його порівняно рідко, в крайній необхідності. Наприклад, його застосовують для контролю результатів у сумнівних випадках.

Принципи методу

Гравіметричний аналіз базується на трьох фундаментальних законах хімії. До них відносяться:

Закон збереження маси: маса реагентів дорівнює масі продуктів реакції.
Закон сталості складу: кількісний склад хімічно чистих речовин не залежить від способу їх одержання.
Закон еквівалентів: обсяги розчинів двох різних речовин, що реагують один з одним без залишку, обернено пропорційні нормальностям цих розчинів, або V1/V2=Сн2/Сн1, або V1·Сн1=V2·Сн2, де Сн1 і Сн2 — нормальності першого і другого розчинів; V1 і V2 — об’єми першого і другого розчинів.

Області застосування

Незважаючи на те що гравіметричний метод кількісного аналізу застосовується не так вже й часто, він є незамінним у ряді випадків:

для знаходження атомних мас;
при визначенні гігроскопічної вологи і кристалізаційної води;
для знаходження кількісного вмісту в зразках сульфат-іонів, SiO2, лужних і лужноземельних металів;
для встановлення хімічного складу синтезованих речовин.

Типи вагових визначень

Оскільки в ході гравіметричного методу аналізу відбувається неодноразове вимірювання маси, вагові визначення прийнято ділити на три типи. До першого відносять ті, в ході яких визначається частина кількісно виділяють з аналізованого зразка і зважують. Наприклад, визначення вмісту золи в кам’яному вугіллі (зольності).

Другий тип вимагає видалення визначається складової частини і зважування залишку. Таким способом вимірюється вологість матеріалів гравіметричним методом аналізу. Сутність методу полягає у зважуванні зразка до і після прожарювання (або висушування).

Третій тип найбільш складний, оскільки вимагає кількісного зв’язування вимірюваного компонента в хімічну речовину, що можна виділити і зважити. У цьому випадку аналізоване сполука існує у двох формах:

гравіметричної – з’єднання, у вигляді якого досліджувану частину зважують;
осаджується – з’єднання, у вигляді якого досліджувана частина осідає.

Види гравіметрії

Характеристику гравиметрическому методу аналізу можна давати за різними ознаками. Так, за типом лежить в його основі хімічної реакції можуть йти процеси розкладу, заміщення, обміну або утворення комплексів.

За способом отримання осаду і його відділення гравіметричні методи ділять на:

Методи осадження. Досліджуваний компонент розчину вступає в реакцію з осадителем і утворює малорозчинний продукт, який відокремлюють, промивають, висушують і зважують.
Методи відгонки. Досліджуваний компонент відокремлюють від аналізованої проби, перевівши його в газоподібний стан, і вимірюють масу речовини після відгонки або масу залишку.
Термогравіметричні методи. Сутність цього методу гравіметричного аналізу полягає у вимірюванні маси визначуваної речовини при нагріванні. Він вимагає спеціального приладу – дериватографа, який здатний безперервно записувати зміна маси речовини в процесі нагріву.
Методи виділення. Досліджуваний компонент виділяють з розчину, наприклад, електролізом на електроді, який зважують до і після занурення в розчин.

Зважування

Першою з основних операцій гравіметричного методу аналізу є взяття наважки. Похибка аналітичних ваг, які використовуються для даної процедури, повинна бути не менше 0,0001 р. Для того щоб взяти точну наважку, потрібно скористатися одним з двох методів.

Зважити на аналітичних вагах чистий сухий бюкс (або іншу відповідну хімічну посуд), а потім, помістивши її на технічні ваги, насипати в нього аналізоване речовина з точністю 0,01 р. Після цього наповнений бюкс повторно зважити на аналітичних вагах. Різниця в значеннях вагових порожнього і повного бюкса дасть масу наважки. Щоб перенести досліджувана речовина в склянку, спочатку його обережно висипають, а потім змивають з промивалки розчинником частинки, що залишилися на стінках бюкса.
Порожній і наповнений аналізованих речовиною бюкс зважують на технічних вагах. Потім наповнений бюкс зважують на аналітичних вагах. Після цього пересипають речовина в хімічний стакан або колбу і зважують порожній бюкс на аналітичних вагах. Масу наважки знаходять по різниці двох зважувань на аналітичних вагах.

Розчинення

Вибір розчинника є одним з важливих етапів гравіметричного методу аналізу. Вода у даному випадку не є єдино вірним рішенням. Основною умовою тут слід назвати максимально можливе розчинення, а для цього необхідно ґрунтуватися на хімічному складі досліджуваної проби. Нерідко для цих цілей застосовують неорганічні кислоти або їх суміші, а також розчини лугів. Так, метали і їх сплави, оксиди, сульфіди і інші солі найчастіше розчиняють в концентрованих або розведених кислотах.

Сам процес розчинення наважки ведуть в хімічному стакані відповідного об’єму. Важливо не допустити втрат речовини, які можуть відбуватися при розбризкуванні розчину з-за надмірно активної реакції або виділення бульбашок газу. Розчинник слід додавати поступово, малими порціями, вливаючи його по внутрішній стінці склянки. Інколи для прискорення процесу розчинення вміст стакана нагрівають.

У деяких випадках речовини неможливо перевести в розчин з використанням рідких реагентів. Тоді вдаються до використання плавнів, з якими досліджуваний зразок сплавляють перед розчиненням.

Осадження

Ця стадія є відображенням сутності методу гравіметричного аналізу. Коротко метод осадження можна описати як хімічну реакцію, що супроводжується утворенням нерозчинного речовини. В якості осаджувачів застосовують як неорганічні, так і органічні сполуки. Для правильного проведення осадження необхідно:

звести до мінімуму втрати, пов’язані з розчиненням випав осаду;
уникнути появи домішок в осаді, які можуть виникнути в результаті їх адсорбції, оклюзії або ж співосадження;
отримати досить великі частинки, які не зможуть пройти через пори фільтра.

Осадження здійснюють хімічних стаканах, найчастіше з гарячих розбавлених розчинів повільним додаванням осаджувача з безперервним перемішуванням розчину. Осадитель поміщають в бюретку, закріплену на штативі (рідше додають піпеткою). Аналізований розчин доводять до потрібного об’єму і нагрівають, намагаючись не доводити до кипіння. Опускають в склянку скляну паличку з гумовим наконечником і ставлять його під бюретку таким чином, щоб носик бюретки знаходився всередині склянки. А потім по краплях додають осадитель при безперервному помішуванні. Далі переконуються в повноті осадження, дозволивши осадку осісти і додавши до просветленному розчину ще кілька крапель осаджувача. Якщо в місцях падіння крапель не з’являється каламуть, то осадження пройшло в повному обсязі.

Механізм осадження

Правильне протікання цього процесу суттєво впливає на результати гравіметричного методу аналізу. Коротко її суть можна описати кількома стадіями:

Спочатку утворюються дрібні зародкові кристали, не здатні поки ще випасти в осад через малої ваги. Їх число залежить від концентрації розчину і розчинності речовини. Чим менше розчинність, тим більша кількість зародків виникає. Також на їх кількість впливає швидкість змішування розчинів. Так, при швидкому зливанні концентрованих розчинів будуть утворюватися численні зародкові кристали, а осад випаде дрібнокристалічний. Якщо ж розчини будуть розведеними і швидкість їх змішування низькою, то центрів кристалізації буде небагато, зате отримані кристали зростуть досить великими.
Відбувається укрупнення зародкових кристалів, яке може йти з утворенням або кристалічних, або аморфних опадів. Якщо речовина виділяється на поверхні зародкових кристалів, що супроводжується їх поступовим зростанням, то утворюється кристалічний осад. Якщо зародкові кристали об’єднуються в більш великі частинки, то виходить аморфний осад. Аморфні агрегати можуть переростати в кристалічні.
Осідання на дно хімічного посуду укрупнених кристалічних або аморфних структур.

Відділення осаду

Цей процес проводять шляхом фільтрування розчину. Роблять це або після його дозрівання, або після осадження. В якості обладнання і матеріалів застосовують фільтруючі тиглі і паперові беззольні фільтри.

Використовують два типи фільтруючих тиглів: фарфорові та скляні. Дно перших неглазурированное і пористу, причому залежно від діаметра пір вони розрізняються за номерами. Дно скляних фільтрів є пористою скляною пластинкою з різним розміром пор. Зазвичай промивання тиглів і фільтрування через них опадів проводять з відділенням рідини під вакуумом.

Частіше в гравіметричному методі аналізу застосовують особливі паперові фільтри. У зв’язку з тим, що папір має високу гігроскопічність, зважування осаду з фільтром є помилковим. Тому фільтр і знаходиться на ньому осад поміщають в тигель і спалюють. Оскільки після цього золи від фільтрів залишається вкрай мало (близько 0,1 г), їх і називають беззольными. Однак варто своєчасно внести поправку на їх використання з урахуванням відомої маси золи. Такі фільтри можуть бути різної щільності і розмірів пор. Це маркується кольором стрічки на пачці фільтрів.

Найбільш щільні фільтри з синьою стрічкою застосовують для дрібнокристалічних опадів. Фільтри середньої щільності з білою смугою – для среднекристаллических. Найменш щільні фільтри з чорною або червоною стрічкою придатні для фільтрування великокристалічних і аморфних осадів. Розмір фільтра слід вибирати за обсягом осаду так, щоб він займав не більше половини складеного конусом фільтра.

В ході фільтрування спочатку пропускають через фільтрувальний папір прозорий розчин. Крупнокристаллические опади, які легко фільтруються, можна промивати прямо на фільтрі. Аморфні драглисті опади перед перенесенням на фільтр промивають декантацией, шляхом зливу прозорою промивної рідини над осадом через фільтр і взмучиванием осаду промивної рідиною і повторним зливом. На фільтрі відокремлений осад також промивають малими порціями промивної рідини. Щоб перенести на фільтр ту частину осаду, яка пристала до склянці чи скляній паличці, обережно споліскують над склянкою, що містить залишився осад, паличку і склянку з промивалки. Потім маленьким шматочком беззольного фільтра слід протерти паличку, намагаючись зняти частинки осаду, і додають його до осаду на фільтрі.

Осад, який знаходиться на фільтрі промивають 3-4 рази з інтервалом часу, достатньою для повного стікання рідини. Далі відповідним реагентом перевіряють повноту промивання осаду. Після повного стікання промивної рідини осад з фільтром трохи просушують в сушильній шафі прямо на воронці при 100-150 °С. Фільтр після цього повинен залишатися трохи вологим. Його краю відокремлюють від воронки шпателем, закриваючи ними осад повністю. Після цього фільтр з осадом виймають з воронки і поміщають в тигель, який був попередньо зважений.

Висушування

Після того як тигель, що містить осад і фільтр, довели до постійної маси, його виставляють у фарфоровий трикутник, розміщений на кільці штатива в муфельній печі. Нагрівання ведуть повільно. У разі швидкого нагрівання може статися викид частинок осаду з вологою, що випаровується. Після повного видалення рідини нагрівання збільшують для поступового обвуглювання фільтра. Важливо підібрати таку температуру, при якій папір обвуглиться, але не запалиться, щоб не захопити частинки речовини з тигля. Після прожарювання і видалення фільтра тигель поміщають в ексикатор, охолоджують до кімнатної температури. Після цього зважують і прожарювання повторюють. Роблять це стільки разів, скільки необхідно для отримання постійної маси.

Розрахунки

Не менш важливою частиною гравіметричного методу аналізу є розрахунки. Оскільки процес цей багатостадійний, так і реактивів зазвичай використовується кілька, необхідно математичне обґрунтування прийнятних мас і обсягів. Для проведення дослідження необхідно розрахувати:

розмір навішування;
кількість осаджувача або розчинника в залежності від методики аналізу;
кількість промивної рідини;
результати дослідження.

Методики і формули детально розписані Шапіро в підручнику з аналітичної хімії і гравиметрическому методу аналізу. Точність кожного з цих пунктів дещо відрізняється. Перші три розраховують наближено, а результати аналізу обчислюють до десяткових часток грамів.

Обробка результатів

Залежно від обраної методики і цілей дослідження гравіметричний метод аналізу дозволяє визначити кількість одного або кількох компонентів в досліджуваному зразку, а також провести елементний аналіз з’єднання. Нерідко отримані дані готові послужити для встановлення формули того або іншого з’єднання. Результати визначень найчастіше виражають у процентному співвідношенні. Наприклад, при аналізі сплавів результат описують переліком хімічних елементів (% Fe, % Mn і т. д.). Дослідження гірських порід виражають у формі складових їх оксидів (% SiO2 , % Fe2O3 і т. д.).

Тоді, коли визначена частина зразка виділена в тій же формі, що і в пробі, то її вміст х знаходять за формулою: x=(m0·100)/мн, де m0 — маса виділеної частини; мн — навішування.

Масову частку визначуваного компонента в зразку ω розраховують за формулою: ω=(мграв.ф·F·100)/мн.