Реферат на тему «Гравиметрия как метод анализа продукции»

Содержание

1. Введение
2. Общее понятие о гравиметрическом анализе
3. Примеры практического применения методов гравиметрического анализа продукции
4. Преимущества и недостатки гравиметрического анализа
5. Заключение

Введение

Гравиметрическим анализом называют метод количественного химического анализа, который базируется на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделенных в химически чистом состоянии или в виде соответствующих соединений (точно известного постоянного состава).

Гравиметрический анализ (весовой) один из важнейших методов количественного анализа. Он сыграл большую роль при установлении законов постоянности состава, кратных отношений, периодического закона. Его применяют при определении химического состава разнообразных естественных и технических объектов, горных пород и руды, минералов, металлов, сплавов, силикатов и других неорганических и органических веществ.

Цель работы – рассмотреть более подробно гравиметрию как метод анализа продукции.

Общее понятие о гравиметрическом анализе

Гравиметрический анализ — метод количественного химического анализа, при котором количество элементарного вещества (в исследуемой пробе судят о массе вещества) получается в результате анализа.

Все многочисленные гравиметрические определения можно разделить на три большие группы:

1. Методы выделения;
2. Методы осаждения;
3. Методы отгонки.

Пример: в молоке, хлебе, во влаге. Для метода осаждения применяют реакции: обмена, разложения, комплексообразования.

Вещество, в виде которого выделяется в осадок определяемый компонент, называют осажденной формой. [1]

Требования к осаждаемой форме:

1) Осаждаемое вещество должно быть плохо растворимо, произведение растворимости (ПР) меньше 1*10-⁸ моль/л;

2) осадок должен быть крупнокристаллическим;

3) осадок не должен легко загрязняется посторонними веществами из раствора (например: амфотерные осадки, особенно студенистые Al(OH)₃._.

Соединение, по массе которого судят о количестве определяемого компонента, называют весовой формой или гравиметрической. Иногда весовая форма совпадает с осажденной формой (например: BaSO₄), если не совпадает, то необходимо, чтобы осаждаемая форма легко и быстро превращалась в весовую.

Требования к весовой форме:

1) должна иметь весовой состав, точно соответствующий химической формуле (если весовая форма не имеет точно определенный состав, то прибегают к прокаливанию);

2) полученная весовая форма должна быть химически устойчива, прокаленный осадок не должен быть заметно гигроскопичен (впитывание влаги);

3) отношение массы весовой формы к массе определенного компонента должно быть наибольшим, в этом случае погрешности определения меньше скажутся на результате анализа. [11]

Произведение растворимости (ПР) — произведение концентрации ионов (ПКИ) в насыщенном растворе труднорастворимого эликтролита, является величиной постоянной при постоянной температуре. Величина ПР зависит от природы электролита, растворителя и температуры.

ПР_AgCl=[Ag⁺][Cl^—]

   CaCl₂ [Ca₂²⁺][Cl^—]²

АВ= аА + вВ

ПР = [А]^а [В]^в

Растворенный карбонат кальция (CaCO₃)=6,15*10^-3г/л. Найти ПР CaCO₃ — ?

 CaCO₃ [Ca²⁺][ CO₃^2-]

Выразим растворимость в молях

CaCO₃=

Так как каждая молекула карбоната кальция, дает по одному иону, то [Ca²⁺] = [ CO₃^2-] = 6,15 моль. [13]

Условия осаждения:

1) выбор растворителя — при реакции с определенным компонентом необходимо, чтоб получалась нужная осаждаемая форма.

Осадитель должен быть специфическим, удобно, чтобы осадитель был летучим веществом;

2) количество осадителя — наибольшее полное осаждение происходит тогда, когда в растворе количество определенного соединения не превышает на 0,0002 г.

Для этого применяют избыток осадителя (в 1,5-2 раза больше, чем в вычисленном по уравнению реакции).

3) влияние температуры — ПР увеличивается с помощью температуры, с другой стороны, повышение температуры способствует росту кристаллов осадка или коагуляции коллоидных частиц, поэтому осаждение ведут из горячего раствора.

Важнейшие операции гравиметрического анализа:

1. Подготовка тиглей: проводят в то время, когда проводят осаждение, фильтрование или промывание осадка. Температура прокаливания тигля должна соответствовать температуре прокаливания осадка по методике, время прокаливания в печи =30-40 минут эксикатор на 30-40 минут, для остывания  взвешивание на аналитических весах до 4 знака после запятой  в муфельную печь на 15-20 минут. [3]
2. Осаждение — проводится в химическом стакане. Осадитель переливают маленькими порциями по внутренней стенке стакана. Обязательно непрерывно перемешивать раствор стеклянной палочкой, не задевая дно и стенки стакана.

Осадки бывают двух видов: кристаллические и амфотерные.

Условия для получения кристаллического осадка:

1) осаждение проводит из сильно разбавленных растворов;

2) прибавлять осадитель медленно, в начале осаждения по каплям;

3) осаждение проводят из горячих растворов;

4) для образования более крупных кристаллов осадка следует выдержать осадок некоторое время, в маточном растворе на холоду происходит «старение» или «созревание осадка». [5]

Условия для получения амфотерных осадков:

1) Осаждение проводится из малоразбавленных растворов, концентрация раствором осадителя (образуются более плотные осадки)

2) Осадитель прибавляют более быстро, чем при осаждения осадка

3) Перед осаждением в раствор вводят электролит, который вызывает коагуляцию раствора.

4) Осаждение ведут из горячего раствора и немедленно начинают фильтровать.

Фильтрование и промывание осадка. Условия:

— осадок должен занимать 1/3 фильтра

— края фильтра должны быть ниже на 0,5-1 см

— беззольные фильтры (масса золы 0,0001г). Наименьшая плотность — это с черной и красной лентой, средняя плотность — белая лента, самая плотная – голубая.

— высушивание и прокаливание осадка (нельзя допускать воспламенения фильтра)

— взятие навески, берут на аналитических весах. [9]

Определение массы навески:

— если осаждается в виде кристаллического осадка, то навеска не должна превышать 0,5г, а если в виде студенистого осадка — 0,1 г.

m_тигля=1

m_{фильтра}=2 m  =3

m  =

F — фактор расчёта.

Fе₂O₃ содержит х= Fе

В 1 моле Fе₂O₃ содержит 159,7 содержат Fе³⁺

(2Mr(Fе))=111.7г Fе³⁺

159,7 — 11,7 х_г Fе₂O₃

1г — х Fе=

P = m*F

P — масса определяемого вещества

m — масса осадка в граммах

F — фактор пересчета.

— Если результат параллельных определений превышает величину 0,002 — 0,0004, то анализ переделывают, если укладывается в этот интервал, то берут среднее значимое

m=1,7937г

m=1,7939г средняя m (m₁+ m₂+m₃): 3

m =1,7935г — промах

m=1,7939г

Х=  g — навеска анализируемого образца

Итак, сущность гравиметрического анализа заключается в том, что взвешиванием на аналитических весах измеряют массу определяемого компонента. Для этого его выделяют либо в виде элемента, либо в виде соединения определенного состава. [12]

Основан гравиметрический метод анализа на законе сохранения массы веществ и постоянства состава. В связи с этим он основывается на точном измерении массы искомого компонента, который получен как соединение с известным химическим составом.

Примеры практического применения методов гравиметрического анализа продукции

Применение гравиметрии в фармацевтическом анализе.

1. Определение влажности в препаратах (косвенная отгонка).
2. Определение сухого остатка в экстрактах, настойках (косвенная отгонка).
3. Определение сульфатной золы и золы (метод выделения).
4. Определение в лекарственных средствах (пиперазина хромат – метод осаждения).[10]

Определение воды. Знание влажности пробы необходимо для точного расчета результатов анализа и содержания других компонентов. Помимо этого, вода входит в состав многих соединений в определенных стехиометрических соотношениях (в кристаллогидраты). Для определения воды разработаны прямые и косвенные методы.

В косвенных методах воду определяют по уменьшению массы пробы при обезвоживании нагреванием или путем выдерживания в эксикаторе с энергичным водоотнимающим веществом (Р₂О₅, концентрированная H₂SO₄ и др.). Метод дает правильные результаты, если при этом в пробе не происходит никаких других процессов, кроме удаления воды, т.е. проба не содержит других летучих веществ. [13]

Для определения влажности пробу обычно выдерживают при температуре 105-110⁰С до постоянной массы. Стехиометрическая или кристаллизационная вода при этом удаляется не всегда, а обезвоживание некоторых веществ, например гидроксидов железа, алюминия и др., требует уже значительно более высокой температуры (700-800⁰С и выше). При определении влажности органических веществ часто используется нагревание в вакууме при температуре ниже 100⁰С.

В прямых методах определения воды водяные пары поглощаются осушителем – специальным веществом, энергично поглощающим влагу (CaCl₂, Mg(ClO₄)₂, и др.). Содержание воды определяется по увеличению массы осушителя, конечно, если он не поглощает других веществ, кроме воды.

Определение серы в растворимых сульфатах. Определение серы в веществах, содержащих растворимые сульфаты, основано на осаждении SO₄^2- в виде BaSO₄

Ba²⁺ + SO₄^2- = BaSO₄↓ .

Растворимость сульфата бария в воде мала (ПР=1,1∙10^-10), следовательно, это соединение является подходящей осаждаемой формой при определении серы. При прокаливании BaSO₄ не изменяется, поэтому он также является и гравиметрической формой, удовлетворяющей практически всем необходимым требованиям.

Недостатком сульфата бария является склонность к образованию мелких кристаллов, что затрудняет его фильтрование. Поэтому при осаждении необходимо создавать условия, благоприятствующие образованию крупнокристаллических осадков. [15]

Важнейшим из этих условий является медленное прибавление осадителя, которое необходимо также и для получения более чистого осадка BaSO₄. Повышение растворимости осадка в процессе его формирования для уменьшения степени пересыщения раствора относительно осаждаемого соединения, достигается добавлением небольшого количества HCl или повышением температуры.

Для получения гравиметрической формы прокаливание полученного осадка осуществляют при температуре 800-900⁰С. При более высоких температурах  BaSO₄ разлагается:

BaSO₄ = BaO + SO₃↑.

Массу сульфат-иона (г) в анализируемой пробе находят по формуле

m = F m_г.ф.,

где F = 0,4116 — фактор пересчета, m_г.ф. – масса гравиметрической формы.

Определение кремниевой кислоты. Кремниевая кислота или ее соли входят в состав многих горных пород, руд и других объектов. При обработке горных пород или минералов кислотами в осадке остается кремниевая кислота с переменным содержанием воды. Если анализ начинается со сплавления пробы, гидратированная кремниевая кислота образуется при кислотном выщелачивании плава. [8]

Большинство элементов при такой обработке образует растворимые соединения, легко отделяются от осадка фильтрованием. Но разделение может быть неполным, т.к. гидратированная кремниевая кислота может частично проходить через фильтр в виде коллоидного раствора. Поэтому перед фильтрованием осадок кремниевой кислоты стремятся полностью дегидратировать выпариванием с HCl.

При прокаливании кремниевая кислота переходит в безводный SiO₂, который является гравиметрической формой. По его массе часто рассчитывают результаты анализа. Гидратированный диоксид кремния SiO₂∙nH₂O является отличным адсорбентом, поэтому осадок SiO₂ оказывается загрязненным адсорбированными примесями.

Истинное содержание диоксида кремния определяют путем обработки прокаленного осадка фтороводородной кислотой при нагревании, в результате чего образуется летучий SiF₄:

SiO₂ + 4 HF = SiF₄↑ + 2H₂O↑.

Убыль массы после обработки осадка фтороводородной кислотой равна содержанию SiO₂  в пробе.

Определение железа и алюминия. При анализе силикатов, известняков, некоторых руд и других горных пород эти элементы часто определяют гравиметрическим методом в смеси с титаном, марганцем и фосфатом как сумму так называемых полуторных оксидов. [7]

Обычно после отделения кремниевой кислоты (см. выше) в кислом растворе проводят осаждение сульфидов (меди и других элементов), и в фильтрате после удаления сероводорода осаждают сумму полуторных оксидов аммиаком в аммиачном буферном растворе. Осадок гидроксидов промывают декантацией и переосаждают, после чего фильтруют, промывают и прокаливают.

Прокаленный осадок содержит оксиды Fe₂O₃, Al₂O₃, TiO₂, MnO₂. Иногда анализ на этом заканчивается, т.к. бывает достаточным определить только сумму оксидов и не требуется установить содержание каждого компонента.

При необходимости более детального анализа прокаленный осадок сплавляют с пиросульфатом калия для перевода оксидов в растворимые сульфаты, и после растворения плава определяют в растворе отдельные компоненты – железо титриметрическим или гравиметрическим методом, титан и марганец – фотометрическим, фосфор – гравиметрическим (марганец и фосфор анализируются обычно из отдельной навески). [9]

Содержание алюминия рассчитывают по разности. Прямое гравиметрическое определение железа в сумме полуторных оксидов основано на восстановлении Fe(III) сероводородом до Fe(II) и осаждении FeS в аммиачной среде в присутствии винной кислоты как маскирующего агента. Осадок FeS растворяют в HCl, окисляют при нагревании азотной кислотой и осаждают Fe(OH)₃ аммиаком. Анализ заканчивают взвешиванием Fe₂O₃, образующегося после прокаливания.

Определение калия и натрия. Гравиметрическое определение щелочных металлов относится к сравнительно сложным анализам, главным образом из-за высокой растворимости солей этих металлов. Калий и натрий могут быть определены один в присутствии другого, но нередко применяется и косвенный анализ: определяют сумму хлоридов или сульфатов этих металлов, затем содержание одного из них устанавливают экспериментально, а содержание другого рассчитывают по разности. [11]

Иногда используют метод определения суммарной массы хлоридов калия и натрия, а затем после обработки серной кислотой — суммарной массы их сульфатов. Если m₁ –масса хлоридов, m₂ – масса сульфатов, а ω – массовая доля (%) KCl в осадке хлоридов, то, откуда легко рассчитывается ω.

Калий в присутствии натрия может быть осажден в виде K₂[PtCl₆] или KClO₄. В настоящее время дорогостоящие соединения платины для этой цели практически не применяют. Растворимость перхлората калия в воде резко уменьшается в присутствии органических растворителей. [2]

На практике часто проводят осаждение KClO₄ в присутствии смеси равных частей н-бутанола и этилацетата. Гравиметрической формой является КClO₄, высушенный при 350°С. Натрий в присутствии калия осаждается цинкуранилацетатом как тройной ацетат состава CH₃COONa∙(CH₃COO)₂Zn∙3(CH₃COO)₂UO₂, и это же соединение в виде воздушно-сухого осадка является гравиметрической формой.

Определение органических соединений. В гравиметрическом анализе органических соединений используется способность некоторых реагентов вступать во взаимодействие с функциональными группами (карбонильной, азо-, сульфо- и т.д).

Таким образом, становится возможным анализировать целый класс веществ, имеющих данную группу. Например, метоксигруппу можно определить по схеме:

ROCH₃ + HI = ROH + CH₃I ,

CH₃I + Ag⁺ + H₂O = AgI + CH₃OH + H⁺.

Гравиметрической формой является AgI, по массе которого рассчитывают результат анализа. [8]

Так, гравиметрический анализ базируется на извлечении из анализируемого химического вещества искомого компонента в свободном виде и его последующем точном взвешивании. К примеру, такой гравиметрический метод количественного анализа позволяет определять массовое содержание зольного остатка в твердом топливе.

Для проведения расчетов взвешивают тигель, сжигают в нем навеску топлива, полученную золу взвешивают. Имея массу остатка, по формуле массовой доли вещества в смеси вычисляют количественный показатель.

Преимущества и недостатки гравиметрического анализа

Гравиметрические методы анализа разрешают с относительно высокой точностью определять в данном образце анализируемого вещества количественное содержание отдельных компонентов или (если дан раствор) концентрацию их в растворе. Гравиметрический анализ пригоден для определения многих металлов (катионов) и неметаллов (анионов), составных частей сплавов, руд, силикатов, органических соединений и т.д. [5]

Важным недостатком является продолжительность во времени определения, которое намного превышает продолжительность определений, выполняемых с помощью титриметрических методов. По этой причине гравиметрический анализ нечто утратил свое предшествующее значение; в практике их заменяют современными экспрессными химическими и физико-химическими методами.

На точность количественных вычислений влияет качество осадка. При его загрязнении точность измерений существенно снижается, возрастает погрешность. Причина загрязнения состоит в соосаждении, то есть выпадении в осадок посторонних веществ. Выделяют два вида соосаждения:

— поверхностная адсорбция;

— окклюзия. [6]

Для проверки полноты осаждения отделяемого иона добавляют несколько капель реактива к раствору, образующемуся над осадком. При полном осаждении отделяемого иона раствор будет оставаться прозрачным.

Однако гравиметрические методы, которые характеризуются высокой точностью, полностью сохранили свое значение при арбитражных анализах и широко используются в научно-исследовательских роботах для сравнения аналитическими данными, полученными разными методами. С помощью гравиметрического анализа определения проводят с точностью до 0,01-0,005%, что превышает точность титриметрических методов.

Заключение

Итак, гравиметрия является наиболее простым, точным, хотя и продолжительным методом анализа. Гравиметрический метод применяется при анализе многих веществ, том числе и фармацевтических препаратов, на содержание летучих компонентов, влаги, остаточной золы

При анализе простых образцов с содержанием определяемого компонента свыше 1 % точность гравиметрического анализа редко удается превзойти с помощью других методов. Гравиметрические методы широко применяются для количественного определения неорганических и органических веществ. [12]

Основным недостатком гравиметрического метода является длительность определений, которая в ряде случаев может достигать нескольких десятков часов, что практически исключает применение этого метода для текущего технологического контроля производства и при проведении экспресс-анализа.

Список литературы

1. Аналитическая химия. Методы разделения веществ и гибридные методы анализа. Т.2 / Под ред. Москвина Л.. — М.: Academia, 2018. — 608 c.
2. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. Т.2: Учебник / Под ред. Ищенко А.А.. — М.: Academia, 2018. — 512 c.
3. Александрова, Э.А. Аналитическая химия в 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа: Учебник и практикум / Э.А. Александрова, Н.Г. Гайдукова. — Люберцы: Юрайт, 2016. — 355 c.
4. Алов, Н.В. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. В 2-х т.Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: Учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / Н.В. Алов. — М.: ИЦ Академия, 2012. — 768 c.
5. Валова, (Копылова) В.Д. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: Практикум / (Копылова) В.Д. Валова. — М.: Дашков и К, 2013. — 200 c.
6. Ганеев, А.А. Аналитическая химия. Методы разделения веществ и гибридные методы анализа: Учебник / А.А. Ганеев, И.Г. Зенкевич и др. — СПб.: Лань, 2019. — 336 c.
7. Гравиметрический анализ: Метод. указ. к лаб. раб./. Сост. Б.М. Стифатов, Ю.В. Рублинецкая. — Самара; Самар. гос. тех. ун-т, 2017 — 35 с
8. Жебентяев, А.И. Аналитическая химия. Хроматографические методы анализа: Учебное пособие / А.И. Жебентяев. — М.: Инфра-М, 2018. — 480 c.
9. Золотов, Ю.А. Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 2. Методы химического анализа / Ю.А. Золотов. — М.: Высшая школа, 2004. — 503 c.
10. Золотов, Ю.А. Химические тест-методы анализа / Ю.А. Золотов, В.М. Иванов, В.Г. Амелин. — М.: УРСС, 2006. — 304 c.
11. Иванова, М.А. Аналитическая химия физико-химические методы анализа / М.А. Иванова. — М.: Риор, 2018. — 544 c.
12. Ищенко, А.А. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: В 2 т.Т. 1: Учебник / А.А. Ищенко. — М.: Академия, 2017. — 352 c.
13. Коренман, Я.И. Практикум по аналитической химии. Анализ пищевых продуктов. Кн. 1. (в 4 кн.) Титриметрические методы анализа / Я.И. Коренман. — М.: КолосС, 2005. — 239 c.
14. Кулешов, В.Н. Химический анализ в теплоэнергетике: Титриметрический и гравиметрический методы анализа / В.Н. Кулешов. — М.: МЭИ, 2004. — 128 c.
15. Петрухин, О.М. Аналитическая химия. Химические методы анализа: Учебное пособие / О.М. Петрухин. — М.: Альянс, 2016. — 400 c.
16. Харитонов, Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика). Т.2. Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа: Учебник для вузов / Ю.Я. Харитонов. — М.: Высшая школа, 2010. — 559 c.