Количественный анализ. Химические методы анализа

Общие понятия. Определение содержания (концентрации, мас­сы и т.п.) компонентов в анализируемом веществе называется коли­чественным анализом. С помощью количественного анализа выяв­ляют массовые соотношения компонентов в анализируемом образце, концентрацию вещества в растворе или в газе. При количественном анализе измеряют те или иные химические, физико-химические и фи­зические параметры анализируемого образца, которые зависят от его состава или содержания того или иного компонента. В большинстве методов полученные при анализе результаты сравнивают со свойст­вами известных веществ. Результаты анализа обычно выражают в массовых долях, в %.

Количественный анализ проводят в определенной последователь­ности, в которую входит отбор и подготовка проб, проведения анали­за, обработка и расчет результатов анализа. Как и в качественном анализе, различают макрометоды, полумикрометоды, микро- и ультрамикрометоды.

Количественный анализ широко используется для изучения со­става руд, металлов, неорганических и органических соединений. В последние годы особое внимание обращается на определение содер­жания токсичных веществ в воздухе, водоемах, почвах, в продуктах питания, различных товарах.

Классификация методов количественного анализа. Все методы количественного анализа можно разделить на две большие группы: химические и инструментальные. Это разделение условно, так как многие инструментальные методы основаны на использовании хими­ческих законов и свойств веществ. Обычно количественные методы анализа классифицируют по измеряемым физическим или химиче­ским свойствам (табл. 16.4).

Гравиметрический метод. Сущность метода заключается в по­лучении труднорастворимого соединения, в которое входит опреде­ляемый компонент. Для этого навеску вещества растворяют в том или ином растворителе, обычно в воде, осаждают с помощью реагента, образующего с анализируемым соединением малорастворимое со­единение с низким значением ПР. Затем после фильтрова­ния осадок высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе веще­ства находят массу определяемого компонента и проводят расчет его массовой доли в анализируемой навеске.

Имеются разновидности гравиметрического метода. В методе от­гонки анализируемый компонент выделяют в виде газа, который взаимодействует с реактивом. По изменению массы реактива судят о содержании определяемого компонента в навеске. Например, содержа­ние карбонатов в породе можно определить путем воздействия на ана­лизируемый образец кислотой, в результате которого выделяется СО₂: СО₃^2- + 2Н^{+ →} _← Н₂СО₃^→ _← Н₂О + СО₂

Количество выделившегося СО₂ можно определить по изменению массы вещества, например СаО, с которым реагирует СО₂.

Одним из основных недостатков гравиметрического метода явля­ется его трудоемкость и относительно большая продолжительность. Менее трудоемким является электрогравиметрический метод, при ко­тором определяемый металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке)

Сu²⁺ + 2 е = Сu

По разности массы катода до и после электролиза определяют массу металла в анализируемом растворе. Однако этот метод приго­ден лишь для анализа металлов, на которых не выделяется водород (медь, серебро, ртуть).

Титриметрический анализ. Сущность метода заключается в из­мерении объема раствора того или иного реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Для этих целей исполь­зуют так называемые титрованные растворы, концентрация которых (обычно титр раствора) известны. Титром называется масса веще­ства, содержащегося в 1 мл (1 см³) титрованного раствора (в г/мл и г/см). Определение проводят способом титрования, т.е. посте­пенного приливания титрованного раствора к раствору анализируе­мого вещества, объем которого точно измерен. Титрование прекра­щается при достижении точки эквивалентности, т.е. дости­жения эквивалентности реагента титруемого раствора и анализируе­мого компонента.

Существует несколько разновидностей титриметрического анали­за: кислотно-основное титрование, осадительное титрование, комплексонометрическое титрование и окислительно-восстановительное титрование.

В основе кислотно-основного титрования лежит ре­акция нейтрализации

Н⁺ + ОН^{- →} _← Н₂0

Метод позволяет определить концентрацию кислоты или катио­нов, гидролизирующихся с образованием ионов водорода, тит­рованием раствором щелочи или определить концентрацию основа­ний, в том числе анионов, гидролизирующихся с образованием гидроксид-ионов титрованием растворами кислот. Точка экви­валентности устанавливается при помощи кислотно-основных инди­каторов, изменяющих окраску в определенном интервале рН. Например, методом кислотно-основного титрования можно оп­ределить карбонатную жесткость воды, т.е. концентрацию НСО₃^- в воде путем титрования ее раствора НС1 в присутствии инди­катора метилового оранжевого

НСО₃^- + Н⁺ = Н₂О + СО₂ ↑

В точке эквивалентности желтая окраска индикатора переходит в бледно-розовую. Расчет производится по уравнению закона эквива­лентов

с_{эк, НСО3}V₁ ⁼ с_{эк, HCl}V₂,

где V₁, и V₂ - объемы анализируемого и титрованного растворов; с_{эк, HCl} - нормальная концентрация эквивалентов вещества НС1 в тит­рованном растворе, с_экНСO3 - определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов НСО₃^- в анализируемом растворе.

При осадительном титровании анализируемый раствор титруется реагентом, образующим с компонентом титрованного рас­твора малорастворимое соединение. Точка эквивалентности опреде­ляется с помощью индикатора, образующего с реагентом окрашенное соединение, например, красный осадок Аg₂СгО4 при взаимодействии индикатора К₂СrO₄ с избытком ионов Аg⁺ при титровании раствора хлорида раствором нитрата серебра.

Комплексонометрическое титрование. При комплексонометрическом титровании определяемый компонент в растворе титруется раствором комплексона, чаще всего этилендиаминотетрауксусной кислоты (ЕДТА, комплексона II) или ее двунатриевой соли (комп­лексона III или трилона Б). Комплексоны являются лигандами и обра­зуют со многими катионами комплексы. Индикатора­ми точки эквивалентности обычно служат лиганды, образующие с анализируемым ионом окрашенное комплексное соединение. Напри­мер, индикатор хромоген черный (см. табл. 16.1) с кальцием и магни­ем образует комплексы [Са Ind]^- и [Мg Ind]^- красного цвета. В ре­зультате титрования раствора винно-красного цвета, содержащего ионы кальция, магния и индикатор, раствором комплексона III каль­ций связывается в более прочный комплекс с комплексоном, в точке эквивалентности анионы индикатора освобождаются и придают рас­твору синюю окраску. Этот метод комплексонометрического титрова­ния используется, например, для определения общей жесткости воды.

Окислительно-восстановительное титрование. Данный способ заключается в титровании раствора восстановителя титрованным рас­твором окислителя или в титровании раствора окислителя титрован­ным раствором восстановителя. В качестве титрованных растворов окислителей нашли применение растворы перманганата калия КмnO₄ (перманганатометрия), дихромата калия К₂Сг₂О₇ (дихроматометрия), иода I₂ (иодометрия). Из титрованных растворов восстановителей следует отметить растворы гидразина N₂Н₄ (гидразинометрия).

При перманганатометрическом титровании в кислой среде Мn (VII) (малиновая окраска) переходит в Мn (II) (бесцветный раствор). Например, перманганатометрическим титрованием можно опреде­лить содержание нитритов в растворе

2КМnО₄ + 5КNО₂ + ЗН₂SО₄ = 2МnSО₄ + К₂SО₄ + 5КNО₃ + ЗН₂О

При дихроматометрическом титровании индикатором служит ди­фениламин, окрашивающий раствор в синий цвет при избытке ди­хромат-ионов. При йодометрическом титровании индикатором слу­жит крахмал. Йодометрическое титрование используется для анализа растворов окислителей, в этом случае титрованный рас­твор содержит иодид-ион. Например, медь можно определить титро­ванием ее растворов раствором иодида

2Сu²⁺ + 4I^- = 2СuI +I₂

Затем образующийся раствор титруется титрованным раствором тиосульфата натрия Na₂S₂O₃ с индикатором крахмалом, добавляемым в конце титрования

2Nа₂S₂O₃ + I₂ = 2NaI + Na₂S₄О₆

Итак, существует большое число разновидностей количественно­го химического анализа, позволяющих определять разнообразные вещества в широких пределах концентраций. Среди химических ме­тодов анализа наиболее распространены титрометрические и грави­метрические методы.

Вопросы и задачи для самоконтроля

4. При анализе навески соединения бария получен осадок ВаSО₄ с массой по­сле прокаливания 0, 464 г. Какой массе а) Ва; б) ВаО; в) ВаС1₂^.2Н₂О соответствует масса полученного осадка?

5. Что такое точка эквивалентности и как ее определяют?

6. Титр раствора КОН равен 0, 0056 г/мл. Вычислите молярную и нормальную концентрацию эквивалентов и молярную концентрацию раствора.

7. На титрование 20 мл раствора Н₂SО₄ пошло 40 мл 0, 1 М раствора КОН. Вы­числите нормальную, молярную концентрацию и титр раствора Н₂SО₄.

8. На титрование 100 мл воды затрачено 20 мл 0, 05М раствора комплексона III. Вычислите общую жесткость воды.