Оборудование

2.1 Оборудование

 

Стаканы. В гравиметрическом методе анализа применяют химические стаканы различной вместимости. Для осаждения кристаллических осадков обычно применяют стаканы с носиком вместимостью 200-250 мл, для осаждения аморфных осадков – стаканы вместимостью 100-150 мл. При одинаковой вместимости стаканы могут быть различной высоты, лучше применять более низкие стаканы, т. к. их дно легче очищать от осадка.

Воронки, применяемые для фильтрования, могут быть различного диаметра, в зависимости от количества отделяемого осадка: они должны иметь наклон стенок 60° и удлиненный косо срезанный конец, внутренний диаметр которого в верхней части меньше, чем в нижней, благодаря этому увеличивается скорость фильтрования и промывания осадка.

Тигли. Фарфоровые тигли применяют для высокотемпературного прокаливания осадков. Фарфоровые тигли можно нагревать до температур не выше 1200°C. Кроме фарфоровых тиглей в гравиметрическом анализе для высокотемпературного сплавления и прокаливания металлические, кварцевые и другие тигли. До окончания всех операций тигли нельзя брать руками, а только при помощи металлических щипцов.

Стеклянные фильтрующие тигли представляют собой стеклянные тигли с вплавленными фильтрующими пластинками из прессованного пористого стекла. Их применяют для фильтрования с последующим высушиванием в сушильном шкафу осадков, которые разлагаются при высоких температурах.

Эксикаторы применяют для охлаждения тиглей при доведении их массы до постоянного значения, а также для хранения прокаленных тиглей и высушивания. В качестве осушителя в эксикаторах чаще всего применяют безводный хлорид кальция, реже – концентрированную H₂SO₄, P₂O₅ и др. При работе с эксикатором необходимо соблюдать следующие правила: 1) необходимо следить, чтобы притертые части всегда были смазаны; 2) перенося эксикатор, обязательно следует придерживать его крышку; 3) поместив горячий тигель в эксикатор, крышку эксикатора оставляют приоткрытой в течение 3-5 минут, пока воздух внутри эксикатора не прогреется; 4) нельзя оставлять эксикатор открытым; 5) открывая и закрывая эксикатор, крышку следует сдвигать в сторону, а не поднимать.

Кроме перечисленной посуды применяют также стеклянные палочки обычные и с резиновыми насадками, часовые стекла для накрывания стаканов с осадками, промывалки, мерные цилиндры и др.

 

2.2 Определение кристаллизационной воды в кристаллическом хлориде бария

Кристаллизационной водой называется вода, входящая в структуру кристаллов некоторых веществ, называемых кристаллогидратами. Содержание кристаллизационной воды определяют высушиванием кристаллогидрата до постоянной массы. Температура, при которой происходит удаление кристаллизационной воды, зависит от прочности связи ее с основным веществом. Так, щавелевая кислота H₂C₂O₄•2H₂O сушится при 110-120°C, медный купорос CuSO₄•5H₂O – при 140-150°C, алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)•12H₂O около 230°C, хлорид бария BaCl₂•2H₂O – при 120-125°C, сода Na₂CO₃•10H₂O – около 270°C, а глауберова соль Na₂SO₄•10H₂O – при температуре выше 300°C.

Вещество, предназначенное для определения кристаллизационной воды, должно быть воздушно-сухим. Иначе вместе с кристаллизационной водой будет определена и гигроскопическая, т. е. адсорбционная вода.

Взятие навески

1. Берут чистый бюкс, маркируют его графитовым карандашом на пришлифованной части и помещают в сушильный шкаф с температурой 120-125°C.

2. Через 45-60 мин. Помещают бюкс с помощью тигельных щипцов в эксикатор. Когда бюкс остынет до температуры аналитических весов, взвешивают его и записывают результат в лабораторный журнал.

3. Повторяют высушивание бюкса еще 1-2 раза по 30 мин., чтобы довести его до постоянной массы. Высушивание заканчивают, когда результаты двух последних взвешиваний будут отличаться не более, чем на 0,0002 г.

4. В подготовленный бюкс помещают 1,5-2,0 г свежеперекристаллизованного воздушно-сухого хлорида бария BaCl₂•H₂O и взвесьте на аналитических весах.

Высушивание навески

1. Помещают бюкс в сушильный шкаф. Первое высушивание соли проводится 1,5-2,0 часа, строго следя, чтобы температура находилась в пределах 120-125°C. При более высокой температуре возможно частичное разложение и улетучивание соли, а при более низкой – не вся кристаллизационная вода будет удалена.

2. Затем переносят бюкс в эксикатор, оставляют охлаждаться на 15-20 мин., т. е. доводят бюкс с его содержимым до постоянной массы.

Вычисление процентного содержания воды и ошибки анализа

По результатам измерений определяют процентное содержание воды, абсолютную и относительную ошибки анализа:

1. Теоретическое содержание воды:

2. Практическое содержание воды:

a – навеска кристаллогидрата хлорида бария

b – масса безводного хлорида бария.

3. Абсолютная ошибка – это разность между найденным результатом анализа и действительным содержанием: Δ=14,68% – 14,75%= – 0,07%

4. Относительная ошибка – отношение абсолютной ошибки к истинному содержанию воды. Выражается она обычно в процентах и считается положительной величиной:

2.3 Определение содержания серной кислоты в растворе

 

Последовательность выполнения работы:

1. Подготовка раствора к осаждению:

1. Полученный для анализа раствор серной кислоты разбавляют в мерной колбе емкостью 100 мл дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают.

2. Затем отбирают пипеткой пробу 20-25 мл, добавляют 20 мл воды и подкисляют 1-2 мл 2 н. раствора HCl. Пробу помещают в отдельный стакан емкостью 150-200 мл.

2. Подготовка осадителя:

Мерным цилиндром отмеряют 5 мл 10% раствора BaCl₂, разбавляют водой до 30 мл и переливают в чистый стакан.

3. Нагревание перед осаждением:

Стаканы с анализируемым раствором и осадителем ставят на плитку и нагревают до начала кипения.

4. Осаждение BaSO₄:

1. К нагретому раствору серной кислоты медленно, по каплям прибавляют приготовленный раствор хлорида бария. При этом протекает реакция:

BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ ↓ + 2HCl

2. Надо тщательно заботиться об укрупнении и чистоте осадка. Для этого раствор BaCl₂ добавляют очень медленно (1-2 капли в сек) все время помешивая смесь стеклянной палочкой. Весь процесс осаждения должен длиться не менее 15 минут. Необходимо следить за тем, чтобы стеклянная палочка не касалась дна, т. к. иначе осадок плотно прилипнет к стеклу.

3. После того, как весь осадитель прилит, осадок осядет и жидкость посветлеет, делают пробу на полноту осаждения. В стакан с осадком (не взмучивая его) осторожно по стенке стакана приливают 1-2 капли горячего раствора хлорида бария. Если жидкость при добавлении раствора хлорида бария не помутнеет, то полнота осаждения достигнута. Если же при добавлении раствора хлорида бария образовалась муть, надо добавить еще 0,5-1,0 мл осадителя и снова сделать пробу на полноту осаждения.

4. Осадок оставляют для созревания.

5. Созревание осадка:

1. Когда приливание осадителя закончено, палочку тщательно промывают струей воды из промывки; промывают и верхний край стакана от попавших частиц.

2. Для ускорения процесса созревания осадка стакан с осадком можно поставить на песчаную или водяную баню и выдерживают в течение 20-30 минут при 70-80°C. За этот период созревание осадка заканчивается, осадок получается крупнокристаллическим и легко фильтруется.

3. Важным условием укрупнения кристаллов и их чистоты является медленное прибавление осадителя. Кроме того, осаждение сульфата бария проводят в присутствии небольшого количества HCl, повышающей растворимость сульфата бария, что в свою очередь укрупняет кристаллы. Соляная кислота также препятствует соосаждению веществ, растворимых в кислой среде.

6. Приготовление промывной жидкости:

Прежде чем приступить к фильтрованию, готовят промывную жидкость: 5 мл 2н. HCl растворяют в 100 мл воды.

7. Фильтрование и промывание осадка:

1. Фильтрование производится через плотный фильтр. Прозрачную отстоявшуюся жидкость сливают на фильтр, затем декантацией промывают осадок в том же стакане 2-3 раза 25-30 мл промывной жидкости, после чего переносят осадок на фильтр и промывают окончательно на фильтре 1-2 раза горячей дистиллированной водой. Промывание продолжается до тех пор, пока собранная в пробирку стекающая с фильтра жидкость не перестанет давать муть хлорида серебра при действии нитрата серебра.

2. После этого фильтры с осадком в воронках высушивают при 70-80°C в сушильном шкафу (20-30 минут) и затем свертывают фильтр с осадком и переносят в доведенной до постоянной массы тигель.

8. Прокаливание и взвешивание осадка:

1. Тигель переносят в муфельную печь и прокаливают осадок 20-25 минут, до момента, когда содержимое тигля побелеет и исчезнет углистый налет на стенках тигля. Температура прокаливания 600-800°С.

2. Затем тигель охлаждают в эксикаторе и взвешивают на аналитических весах.

3. Вновь прокаливают тигель 10-15 минут, охлаждают и взвешивают и т. д. до получения постоянной массы. Колебания в массе после вторичного прокаливания не должны превышать 0,0002-0,0004 г.

Вычисление результатов анализа

Определение содержания H₂SO₄ в растворе неизвестной концентрации.

Из этого раствора была взята проба V мл. После осаждения серной кислоты раствором хлорида бария, фильтрования, промывания осадка было получено "А" г. BaSO₄. Необходимо найти исходную концентрацию H₂SO₄. из уравнения реакции определяют массу серной кислоты в пробе:

 

 

Следовательно:

Масса серной кислоты в 100 мл раствора будет равна:

Концентрация серной кислоты в моль/л будет равна:

 

 

Или, в общем виде:

m₂ – масса исследуемого вещества в 100 мл раствора, M – концентрация исследуемого вещества в растворе, Mr (H₂SO₄) – относительная молекулярная масса исследуемого вещества, Mr (BaSO₄) – относительная молекулярная масса осадка, А – масса осадка (BaSO₄) в г, V_a – объем пробы, взятой для анализа, в мл.

 

2.4 Определение содержания железа в растворе хлорида железа (III)

 

Последовательность выполнения работы:

1. Осаждение:

1. В чистый химический стакан берут для анализа раствор FeCl₃.

2. Подкисляют его 3-5 мл 2 н. раствора HNO₃ и осторожно нагревают, не допуская кипения.

3. К горячему раствору прибавляют по каплям 10% раствор аммиака до слабого, но ощутимого запаха.

4. Затем содержимое стакана тщательно перемешивают палочкой, разбавляют 100 мл горячей дистиллированной воды и еще раз перемешивают.

5. Дают осадку отстояться, а когда раствор над ним станет совершенно прозрачным, делают пробу на полноту осаждения 1-2 каплями раствора аммиака.

2. Фильтрование и промывание:

1. Убедившись в полноте осаждения приступают к фильтрованию. Для этого используют неплотный фильтр. Декантируют жидкость на фильтр, осадок промывают в стакане 2-3 раза 2% горячим раствором NH₄NO₃.

2. Количественно без потерь переносят осадок на фильтр и продолжают промывать до отрицательной реакции фильтрата с нитратом серебра (в присутствии HNO₃) на ион Cl^–.

3. Высушивание и прокаливание:

1. Фильтр с осадком подсушивают в сушильном шкафу и слегка влажным переносят в тигель, предварительно доведенный до постоянной массы.

2. Осторожно озоляют фильтр на электроплитке, следя, чтобы он не вспыхнул.

3. Затем помещают тигель в муфельную печь и прокаливают до постоянной массы.

Вычисление результатов анализа

I способ:

Составляют уравнение реакций:

FeCl₃ + 3NH₄OH → Fe(OH)₃↓ + 3NH₄Cl

2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O

Предположим, что при анализе получены следующие данные:

масса тигля с осадком (первое взвешивание) — 16,3242 г

масса тигля с осадком (второе взвешивание) — 16,3234 г

масса тигля с осадком (третье взвешивание) — 16,3232 г

масса тигля — 16,1530 г

масса осадка — 0,1702 г

Находят массу FeCl₃

159,68 г (Fe₂O₃) соответствуют 324,24 г (FeCl₃)

0,1702 г (Fe₂O₃) соответствуют Х г (FeCl₃)

Находят массу железа:

В 162,21 г FeCl₃ содержится 55,85 г Fe

В 0,3457 г FeCl₃ содержится Х г Fe

Это составляет 34,5%.

II способ:

Используют величину фактора пересчета:

a – масса прокаленного осадка,

F – фактор пересчета или аналитический множитель.

Глава III. Вопросы и задачи

1. Какие требования предъявляют к осаждаемой и гравиметрической формам?

2. От каких факторов зависят размер и число частиц осадка?

3. Какие требования предъявляются к осадителю в гравиметрическом анализе?

4. Как влияют на растворимость осадка присутствие одноименных с осадком ионов, pH среды, ионная сила раствора, конкурирующие реакции комплексообразования?

5. Какими причинами обусловлено загрязнение кристаллических и аморфных осадков?

6. Обоснуйте условия осаждения кристаллических и аморфных осадков.

7. Какими преимуществами обладают органические осадители перед неорганическими? Какие осадители Вы знаете?

8. Предложите и обоснуйте состав промывной жидкости для промывания осадков: Fe(OH)₃, Al(C₉H₆NO)₃, AgCl.

9. Какие фильтры применяют в гравиметрии для отделения осаждаемой формы?

10. Какой объем 3%-го раствора 8-гидроксихинолина (C₉H₇NO) следует взять из раствора, содержащего 0,1500 г сульфата алюминия (ρ=1 г/мл)?

11. Какой объем 4%-го раствора тетрафенилбората натрия (С₆H₅)₄BNa следует взять для осаждения калия из раствора, содержащего 0,1011 г нитрата калия (ρ=1 г/мл)?

12. Какую массу бензидина C₁₂H₁₂N₂ следует взять для осаждения сульфат-ионов в слабокислой среде в виде C₁₂H₁₂N₂•H₂SO₄ из раствора, содержащего 0,1920 г сульфата натрия?

13. Какую навеску технического карбоната кальция, содержащего 80% CaCO₃, следует взять для гравиметрического анализа, если осаждаемая форма CaC₂O₄, гравиметрическая форма CaO?

14. Чему равны гравиметрические факторы в следующих определениях:

а) Al → Al(C₉H₆NO)₃; б) C₂H₆S₂ → BaSO₄; в) CoCl₂ → Co₂P₂O₇;

г) Fe₃Al₂Si₃O₁₂ → Al₂O₃; д) Fe₃Al₂Si₃O₁₂ → SiO₂; е) Hg₂Cl₂ → Hg₃(AsO₄)₂;

ж) CoCl₂ → Co₃O₄; з) H₃PO₄ → Mg₂P₂O₇.

15. Вычислить процентное содержание железа в сплаве, если масса гравиметрической формы Fe₂O₃ 0,8000 г, навеска сплава, взятая для гравиметрического анализа, 0,5600 г.

16. Вычислить процентное содержание кремния в чугуне, если из навески чугунных стружек, равной 1,4255 г, в результате гравиметрического анализа получена гравиметрическая форма SiO₂ массой 0,0420 г.

17. Определить процентное содержание калия в навеске гербицида, равной 0,8100 г, если масса гравиметрической формы KB(C₆H₅)₄ равна 3,4780 г.

18. Какую навеску органического вещества, содержащего 6% фосфора, следует взять для анализа, если после соответствующей обработки масса гравиметрической формы Mg₂P₂O₇ равна 0,5000 г?

19. Сколько граммов салициловой кислоты C₆H₄(OH)COOH содержалось в растворе, если при определении ее гравиметрическим методом масса гравиметрической формы C₁₂H₄O₂I₄ равна 0,5780 г?

20. Вычислить процентное содержание серы в навеске образца угля (влажность образца 1,30%), равной 0,8460 г, если после соответствующей обработки масса гравиметрической формы BaSO₄ равна 0,1025 г.

21. Вычислить процентное содержание хлоромицина C₁₁H₁₂O₅N₂Cl₂ в навеске глазной мази, равной 0,5150 г, если после соответствующей обработки масса гравиметрической формы AgCl равна 0,0065 г.

22. Рассчитать содержание алюминия (в г) в анализируемом растворе, если масса гравиметрической формы (C₉H₆NO)₃Al равна 4,5900 г.

23. Выпадет ли осадок AgCl при смешивании равных объемов 0,2 М раствора NaCl и 0,1 М раствора AgNO₃? ПР_AgCl= 1,78 • 10^–10.

24. Выпадет ли осадок Ca₃(PO₄)₂ при смешении равных объемов 0,1 М раствора CaCl₂ и 0,05 М раствора Na₃PO₄? ПР_Ca3(PO4)2 = 2,0 • 10^–29.

25. Сколько моль и граммов бария останутся неосажденными при приливании 50 мл 0,1 М раствора серной кислоты к 100 мл 0,1 М раствора хлорида бария?

 

Заключение

Гравиметрический анализ – один из наиболее универсальных методов. Он применяется для определения почти любого элемента. Гравиметрические методы чрезвычайно точны, потому что на аналитических весах можно взвесить вещества с высокой степенью точности. Массу можно определить до пятой цифры после запятой.

Гравиметрический анализ – важнейший метод количественного химического анализа, в котором взвешивание является не только начальной, но и конечной стадией определения. Гравиметрический анализ сыграл большую роль при установлении закона постоянства состава химических соединений, закона кратных отношений, периодического закона и др.

Чаще всего гравиметрический метод применяют для определения основных компонентов пробы, когда на выполнение анализа отводится несколько часов или десятков часов, для анализа эталонов, используемых в других методах, в арбитражном анализе, для установления состава минералов, различных веществ, включая синтезированные, состава различных композиций и т. д. Практическое применение гравиметрического метода остается очень широким. В последнее время успешно развивается гравиметрический анализ органических соединений.

Библиография

1. Аналитическая химия: Учебно-методическое пособие для студентов педагогических вузов.-Самара: Изд-во СамГПУ, 2007

2. Аналитическая химия. Химические методы анализа/Под. ред. О. М. Петрухина. М.: Химия, 1992. 400 с. Ил.

3. Бончев П. Р. Введение в аналитическую химию. Л.: Химия, 1978. 496 с.

4. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989. 447 с.

5. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. М.: Мир, 1979. Кн 1. 480 с.

6. Ушакова Н. Н., Николаева Е. Р., Моросанова С. А. Пособие по аналитической химии. М.: МГУ, 1984. 150 с.

7. Фритц Д., Шенк Г. Количественный анализ. М.: Мир, 1978. 557 с.

8. Янсон Э. Ю., Путнинь Я. К. Теоретические основы аналитической химии. М.: Высшая школа, 1980. 263 с.