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]

Применение гравиметрического анализа

• определение гигроскопической влаги в почве
• содержание сухого вещества в плодах и овощах
• кристаллизационную воду в солях
• зольность топлива
• содержание элементов в веществах
• установление формулы вещества
• и т. д.

Методы гравиметрии

Метод осаждения

Навеску анализируемого вещества растворяют в воде или другом растворителе и осаждают определяемый элемент реактивом в виде малорастворимого соединения. Полученный осадок отфильтровывают, промывают, высушивают, прокаливают и взвешивают. Зная массу осадка, вычисляют содержание определяемого элемента в массовых долях или процентах от взятой навески.

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

Например: CaCl₂ + (NH₄)₂C₂O₃ = CaC₂O₃ + 2(NH₄)Cl

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

CaC₂O₃ = CaO + CO₂↑ + CO↑

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:

• определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения и поглощают поглотителем. Расчёт ведут по изменению массы поглотителя
• отгоняемое вещество отгоняют и отгон (дистиллят) взвешивают
• вещество взвешивают, совершают отгон и вновь взвешивают. Расчёт производят по уменьшению массы навески.

Отбор средней пробы и ее подготовка к анализу

Способы отбора средних проб

Способы отбора средних проб зависят от особенностей анализируемого материала, цели определения. Например, в производстве бывает необходимо определить средний химический состав большой партии неоднородного материала. При этом подготовка вещества к анализу сводится к отбору средней пробы. Она должна быть составлена из большого числа мелких порций, взятых в разных местах исследуемого материала. Если же исследуемый материал однородный, то не нужно брать многочисленные порции из разных мест материала.

Виды средних проб

• Первичная или генеральная

Отбирается на первом этапе от большой массы материала, непригодна для анализа, так как она слишком велика и неоднородна. Генеральная проба должна быть представительной: соответствие состава пробы среднему составу анализируемого вещества.

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

• Лабораторная (паспортная) проба

Эта проба получается после уменьшения генеральной пробы до массы необходимой для проведения полностью всего анализа.

• Аналитическая проба

Проба для проведения единичного определения.

Взятие навески

Навеска — масса вещества, необходимая для выполнения анализа.

Выбор величины навески

Как правило, чем больше навеска, тем выше точность определения. Однако, работа с большой навеской имеет свои отрицательные стороны:

• получающийся большой осадок трудно профильтровать, промыть и прокалить
• проведение анализа занимает много времени

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:

• часовое стекло или бюкс точно взвешивают, помещают туда приблизительно необходимое количество вещества и снова взвешивают. Массу вещества рассчитывают по разнице масс часового стекла или бюкса с навеской и без.
• на часовое стекло или в бюкс помещают количество вещества достаточное для взятия нескольких навесок и взвешивают. Затем отсыпают порцию вещества в стакан и снова взвешивают часовое стекло или бюкс с остатками вещества. по разнице двух взвешиваний, находят массу навески.

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

Растворение

Для приготовления навески ее пересыпают в чистый химический стакан нужного объема. Заранее подбирают растворитель, делая пробы с отдельными порциями вещества. При необходимости можно подогреть содержимое стакана на водяной бане или асбестовой сетке, накрыв при этом стакан воронкой или часовым стеклом и не доводя до кипения.

Если вещество нерастворимо в воде, то в качестве растворителя используют кислоты, учитывая при этом что полученный раствор будет необходимо дополнительно готовить к анализу (упаривать, нейтрализовать избыток кислоты, связать или удалить ионы, мешающие определению и т. д.)

Пробы труднорастворимых органических веществ разлагают двумя способами:

• «мокрый» (действием кислот в различных условиях и с катализаторами)
• «сухой» (сплавлением с Na₂CO₃, щелочами и другими плавнями)

Например пробы горных пород и силикатов разлагают мокрым способом с помощью плавиковой кислоты.

Обработка труднорастворимых веществ кислотами связана с ОВР

Среди «сухих» способов более распространено прокаливание в муфельной печи при температуре 500—550 градусов Цельсия; сжигание в токе кислорода, окисление в закрытом сосуде с Na₂O₂; сплавление с окисляющими щелочными плавнями (NaOH + KNO₃)

Литературные источники

• Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. — М.:"Химия", 1984

См. также

• Объёмный анализ
• Фотометрический анализ
• Хроматография

Примечания