Количественный анализ. Химические методы анализа.

Определение содержания (концентрации, массы и т. п.) компонентов в анализируемом веществе называетсяколичественным анализом. С помощью количественного анализа выделяют 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 содержание 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 широко используется для изучения состава руд, металлов, неорганических и органических соединений. В последние годы особое внимание обращается на определение содержания токсичных веществ в воздухе, водоёмах, 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 вещества. Обычно количественные методы анализа классифицируют по измеряемым физическим или химическим свойствам.

Т а б л и ц а. Основные методы количественного анализа

Гравиметрический метод. Сущность метода заключается в получении труднорастворимого соединении, 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 значение ПР. Затем после фильтрования осадок высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе вещества находят массу определяемого компонента и проводят расчёт 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 путём 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 трудоёмкость и относительно большая продолжительность. Менее трудоёмким является электрогравиметрический метод, при котором определяемый металл, например медь, осаждают на катоде (платиновой сетке)

Сu²⁺ + 2е =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 объёма 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. Т и т р о м называется масса вещества, содержащегося в 1 мл. (1 см³) титрованного раствора (в г/мл и г/см³). Определение проводят способом т и т р о в а н и я, т.е. постепенного приливания титрованного раствора к раствору анализируемого вещества, объём которого точно измерен. Титрование прекращается при достижении т о ч к и э к в и в а л е н т н о с т и, т. е. достижение эквивалентности реагента титруемого раствора и анализируемого компонента.

Существует несколько разновидностей титриметрического анализа: кислотно-основное титрирование, осадительное титрирование, комплекснометрическое основание и окислительно-восстановительное титрирование.

В основе к и с л о т н о – о с н о в н о г о т и т р и р о в а н и я лежит реакция нейтрализации

Н⁺ + ОН^¯ = Н₂О

Метод позволяет определить концентрацию кислоты или катионов, гидролизующихся с образование ионов водорода, титрованием раствором щёлочи или определить концентрацию оснований, в том числе анионов, гидролизующихся с образованием гидроксид-ионов титрованием растворами кислот. Точка эквивалентности устанавливается при помощи кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску в определённом интервале рН. Например, методом кислотно-основного титрования можно определить карбонатную жёсткость воды, т.е. концентрацию НСО₃ в воде путём титрования её раствора НСl в присутствии индикатора метилового оранжевого

НСО₃^¯ + Н⁺ = Н₂О + СО₂

В точке эквивалентности жёлтая окраска индикатора переходит в бледно-розовую. Расчёт производится по уравнению закона Эквивалентов

с _{эк, НСО3} V₁ = c _{эк, НСl} V_2,

где V₁ и V₂ – объёмы анализируемого и титрованного растворов; с _{эк, НСl} – нормальная концентрация эквивалентов вещества НСl в титрованном растворе, с _{эк, НСО¯} - определяемая молярная концентрация эквивалентов ионов НСО₃^- в анализируемом растворе.

При о с а д и т е л ь н о м т и т р о в а н и и 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 Аg₂CrO₄ 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 Ι Ι) или её двунатриевой соли (комплексона Ι Ι Ι 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 чёрный с кальцием и магнием образуют комплексы [Са Ind]^¯ и [Mg Ind]^¯ красного цвета. В результате титрования раствора вино-красного цвета, содержащего ионы кальция, магния и индикатор, раствором комплекса Ι Ι Ι 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 жёсткости 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 КMnO₄ (перманганатометрия), дихромата калия K₂Cr₂O₇ (дихроматометрия), иода I₂ (иодометрия). Из титрованных растворов восстановителей следует отметить растворы гидразина N₂H₄ (гидразинометрия).

При перманганатометрическом титровании в кислой среде Mn (VΙ Ι) (малиновая окраска) переходит в Mn (Ι Ι) (бесцветный раствор). Например, перманганатометрическим титрованием можно определить содержание нитритов в растворе

2KMnO₄ + 5KNO₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5KNO₃ +3H₂O

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

2Cu²⁺ + 4I^¯ = 2CuI + I₂

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

2NaS₂O₃ + I₂ = 2NaI + Na₂S₄O₆

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.