Metodo di analisi gravimetrico: natura e caratteristiche

Uno dei metodi più accessibili per studiare le sostanze nella chimica analitica è la gravimetria. La cosa principale su cui si basa il metodo gravimetrico di analisi è la misurazione esatta della massa del composto da determinare, isolata come una sostanza con una composizione nota o in una forma elementare. A tale scopo vengono utilizzati evaporazione, distillazione, sublimazione o precipitazione.

L'essenza del metodo

La gravimetria è importante per l'analisi quantitativa. Il metodo gravimetrico consiste nel determinare la massa di un determinato componente nel campione analizzato. A tale scopo, una pesatura esatta della sostanza viene effettuata in una forma finale stabile, in cui viene trasferito il componente misurato. Dovrebbe essere facile da separare e pesare.

Molto spesso, l'acqua viene utilizzata come solvente in un metodo di analisi gravimetrico. E per isolare la quantità massima del composto da determinare, il precipitato ottenuto deve avere una solubilità minima in esso. Poiché la solubilità del sale è correlata alla costante di equilibrio del processo, può essere ridotta aggiungendo un eccesso stechiometrico del reagente precipitante alla soluzione.

Punti di forza e debolezza

Il metodo di analisi gravimetrico, come tutti gli altri metodi di ricerca delle sostanze, ha i suoi pro e contro. Innanzitutto, si distingue per l'elevata precisione nel determinare la massa di una sostanza nel campione analizzato. Inoltre, lo studio non richiede attrezzature sofisticate e può essere effettuato in quasi tutti i laboratori. Altrettanto importante è il fatto che per l'analisi non è necessario calibrare gli strumenti e preparare una serie di soluzioni standard.

Il principale svantaggio della gravimetria è la durata dell'analisi. Completa la sua necessità di verificare la qualità della forma del peso. Quindi, non dovrebbe contenere impurità e la sua composizione dovrebbe essere conosciuta in modo affidabile.

Tutti questi vantaggi e svantaggi del metodo di analisi gravimetrico determinano il fatto che sono usati relativamente raramente, se assolutamente necessario. Ad esempio, viene utilizzato per monitorare i risultati in casi dubbi.

Principi del metodo

L'analisi gravimetrica si basa su tre leggi fondamentali della chimica. Questi includono:

1. Legge sulla conservazione di massa: massa i reagenti sono uguali alla massa dei prodotti di reazione.
2. La legge della costanza della composizione: la composizione quantitativa delle sostanze chimicamente pure non dipende dal metodo della loro preparazione.
3. Legge sugli equivalenti i volumi di soluzioni di due diverse sostanze che reagiscono tra loro senza un residuo sono inversamente proporzionali alle normali di queste soluzioni, oppure V ₁ / V ₂ = C _H2 / C _H1 o V ₁ · C _H1 = V ₂ · C _H2 , dove C _H1 e C _H2 - normalità della prima e della seconda soluzione; V1 e V2 - volumi della prima e della seconda soluzione.

Aree di applicazione

Nonostante il fatto che il metodo gravimetrico di analisi quantitativa non venga usato così spesso, è indispensabile in alcuni casi:

• per trovare masse atomiche;
• nel determinare l'umidità igroscopica e l'acqua di cristallizzazione;
• per trovare il contenuto quantitativo di ioni solfato, SiO2, metalli alcalini e alcalino-terrosi in campioni;
• stabilire la composizione chimica delle sostanze sintetizzate.

Tipi di definizioni di peso

Poiché nel corso del metodo di analisi gravimetrico si verifica una misurazione ripetuta della massa, le determinazioni del peso sono solitamente divise in tre tipi. Il primo comprende quelli in cui la porzione da determinare è quantitativamente isolata dal campione da analizzare e pesare. Ad esempio, la determinazione del contenuto di ceneri nel carbone (cenere).

Il secondo tipo richiede la rimozione del componente da determinare e la pesatura del residuo. In questo modo, il contenuto di umidità dei materiali viene misurato mediante un metodo di analisi gravimetrico. L'essenza del metodo consiste nel pesare il campione prima e dopo la calcinazione (o l'essiccazione).

Il terzo tipo è il più difficile perché richiede il legame quantitativo del componente misurato in una sostanza chimica che può essere isolata e pesata. In questo caso, il composto analizzato esiste in due forme:

• gravimetrico - composti nella forma in cui viene pesata la parte sottoposta a prova;
• precipitato - composti, nella forma di cui precipita la parte investigata.

Tipi di gravimetria

Le caratteristiche del metodo di analisi gravimetrico possono essere fornite per vari motivi. Pertanto, in base al tipo di reazione chimica sottostante, possono procedere i processi di decomposizione, sostituzione, scambio o formazione di complessi.

In base al metodo di produzione dei fanghi e alla sua separazione, i metodi gravimetrici sono suddivisi in:

• Metodi di deposizione Il componente studiato della soluzione reagisce con un precipitante e forma un prodotto scarsamente solubile, che viene separato, lavato, asciugato e pesato.
• Metodi di distillazione Il componente da studiare viene separato dal campione analizzato convertendolo in uno stato gassoso e viene misurata la massa della sostanza dopo la distillazione o la massa del residuo.
• Metodi termogravimetrici. L'essenza di questo metodo di analisi gravimetrica è misurare la massa dell'analita quando viene riscaldata. Richiede un dispositivo speciale - un derivatografo, che è in grado di registrare continuamente la variazione di massa di una sostanza durante il processo di riscaldamento.
• Metodi di selezione Il componente studiato viene separato dalla soluzione, ad esempio mediante elettrolisi su un elettrodo, che viene pesato prima e dopo l'immersione nella soluzione.

pesatura

La prima delle principali operazioni del metodo gravimetrico di analisi sta prendendo un campione. L'errore dei pesi analitici utilizzati per questa procedura deve essere di almeno 0,0001 g. Per ottenere un peso preciso, è necessario utilizzare uno dei due metodi.

1. Pesare un bilan- cio di pesatura pulito e asciutto sulla bilancia analitica (o un altro contenitore chimico idoneo), quindi posizionarlo su una bilancia tecnica, versarvi l'analita con una precisione di 0,01 g, quindi ripesare il bilanciamento di pesatura riempito sulla bilancia analitica. La differenza nei valori di peso dei buchi vuoti e pieni darà una massa del campione. Per trasferire la sostanza in esame sul vetro, per prima cosa, versare delicatamente, quindi lavare le particelle che rimangono sulle pareti del raccoglitore dalla lavatrice con un solvente.
2. Il flacone vuoto riempito con la sostanza analizzata viene pesato su scala tecnica. Quindi il tubo riempito viene pesato su una bilancia analitica. Quindi versare la sostanza in un becher o una fiala e pesare il tubo vuoto su una bilancia analitica. Il peso del campione si trova dalla differenza di due pesi su una bilancia analitica.

dissoluzione

La scelta del solvente è una delle fasi importanti del metodo di analisi gravimetrico. L'acqua in questo caso non è l'unica soluzione corretta. La condizione principale qui dovrebbe essere chiamata la massima dissoluzione possibile, e per questo è necessario basarsi sulla composizione chimica del campione. Spesso usati per questi scopi acidi inorganici o loro miscele, così come soluzioni alcaline. Quindi, i metalli e le loro leghe, ossidi, solfuri e altri sali sono spesso disciolti in acidi concentrati o diluiti.

Il processo di scioglimento del campione viene effettuato in un becher di un volume adeguato. È importante prevenire la perdita di sostanze che possono verificarsi quando si spruzza la soluzione a causa di una reazione eccessivamente attiva o il rilascio di bolle di gas. Il solvente deve essere aggiunto gradualmente, in piccole porzioni, versandolo sulla parete interna del vetro. A volte per accelerare il processo di scioglimento del contenuto del vetro viene riscaldato.

In alcuni casi, la sostanza non può essere trasferita nella soluzione utilizzando reagenti liquidi. Quindi ricorrono all'uso di fluidi con i quali il campione in esame viene fuso prima di dissolversi.

precipitazione

Questo stadio è un riflesso dell'essenza del metodo di analisi gravimetrica. In breve, il metodo di deposizione può essere descritto come una reazione chimica, accompagnata dalla formazione di una sostanza insolubile. Sia i composti inorganici che quelli organici sono usati come precipitanti. Per una corretta deposizione è necessario:

• minimizzare le perdite associate alla dissoluzione del precipitato precipitato;
• per evitare la comparsa di impurità nel sedimento, che possono verificarsi come risultato del loro adsorbimento, occlusione o coprecipitazione;
• ottenere particelle abbastanza grandi che non possono passare attraverso i pori del filtro.

La deposizione viene effettuata in vetri chimici, il più delle volte con soluzioni calde diluite mediante aggiunta lenta del precipitante con agitazione continua della soluzione. Il precipitatore è posto in una buretta fissata su un treppiede (meno comunemente aggiunto con una pipetta). La soluzione analizzata viene portata al volume desiderato e riscaldata, cercando di non portare ad ebollizione. Inserire una bacchetta di vetro con una punta di gomma nel vetro e posizionarla sotto la buretta in modo tale che la punta della buretta sia all'interno del vetro. E poi il precipitante è aggiunto goccia a goccia con agitazione continua. Successivamente, sono convinti della precipitazione completa, permettendo al sedimento di depositarsi e aggiungendo alcune gocce di precipitato alla soluzione chiarita. Se non vi è torbidità nei punti in cui cadono le gocce, allora la precipitazione è passata per intero.

Meccanismo di precipitazione

Il corso corretto di questo processo influenza in modo significativo i risultati del metodo di analisi gravimetrico. In breve, la sua essenza può essere descritta in più fasi:

• Inizialmente si formano piccoli cristalli germinali che non sono ancora in grado di precipitare a causa del loro peso ridotto. Il loro numero dipende dalla concentrazione della soluzione e dalla solubilità della sostanza. Meno solubilità, maggiore è il numero di embrioni. Il loro numero è anche influenzato dalla velocità di miscelazione delle soluzioni. Quindi, con il rapido drenaggio delle soluzioni concentrate, si formeranno numerosi cristalli simili a germi e si formerà un precipitato fine-cristallino. Se le soluzioni sono diluite e la loro velocità di miscelazione è bassa, i centri di cristallizzazione saranno pochi, ma i cristalli risultanti diventeranno piuttosto grandi.
• I cristalli dell'embrione sono ingranditi, il che può verificarsi con la formazione di precipitati cristallini o amorfi. Se una sostanza viene rilasciata sulla superficie dei cristalli germinali, che è accompagnata dalla loro crescita graduale, si forma un precipitato cristallino. Se i cristalli di germe si combinano insieme in particelle più grandi, si ottiene un precipitato amorfo. Gli aggregati amorfi possono diventare cristallini.
• Sistemazione di strutture cristalline o amorfe sul fondo di vetreria chimica.

Separazione dei fanghi

Questo processo viene eseguito filtrando la soluzione. Fallo dopo la sua maturazione o dopo la deposizione. Poiché le attrezzature e i materiali utilizzati filtrano i crogioli e i filtri di carta senza cenere.

Vengono utilizzati due tipi di crogioli filtranti: porcellana e vetro. Il fondo dei primi è non smaltato e poroso, e, a seconda del diametro dei pori, differiscono in numeri. Il fondo dei filtri di vetro è una lastra di vetro porosa con diverse dimensioni dei pori. Tipicamente, il lavaggio dei crogioli e dei sedimenti filtranti attraverso di essi viene effettuato con la separazione del liquido sotto vuoto.

Più spesso in un metodo gravimetrico di analisi, vengono utilizzati filtri di carta speciali. A causa del fatto che la carta è altamente igroscopica, la pesatura della torta del filtro è errata. Pertanto, il filtro e il sedimento su di esso sono posti in un crogiolo e bruciati. Poiché dopo questo la cenere dai filtri rimane estremamente piccola (circa 0,1 g), sono chiamati senza ceneri. Tuttavia, è necessario apportare una modifica tempestiva al loro uso, tenendo conto della massa nota di cenere. Tali filtri possono essere di varie densità e dimensioni dei pori. Questo è contrassegnato dal colore del nastro sulla pila di filtri.

I filtri più densi con un nastro blu sono usati per la precipitazione cristallina fine. Filtri a media densità con una striscia bianca - per medie. I filtri meno densi con un nastro nero o rosso sono adatti per filtrare i precipitati cristallini e amorfi. La dimensione del filtro deve essere scelta in base al volume del sedimento in modo che non occupi più della metà del filtro piegato a cono.

Durante la filtrazione, una soluzione chiara viene prima passata attraverso una carta da filtro. I precipitati cristallini che sono facilmente filtrati possono essere lavati direttamente sul filtro. Prima del trasferimento al filtro, i sedimenti gelatinosi amorfi vengono lavati mediante decantazione, drenando il liquido di lavaggio trasparente sopra il precipitato attraverso un filtro e agitando il precipitato con liquido di lavaggio e risciacquando. Sul filtro, il precipitato separato viene anche lavato in piccole porzioni del liquido di lavaggio. Per trasferire sul filtro quella parte del sedimento che ha aderito al vetro o alla bacchetta di vetro, sciacquare delicatamente sul vetro contenente il residuo rimanente, il bastoncino e il vetro dalla lavatrice. Quindi, con un piccolo frammento di filtro senza ceneri, pulire la bacchetta, cercando di rimuovere le particelle di sedimento e aggiungerla al precipitato sul filtro.

Il precipitato sul filtro viene lavato 3-4 volte, con un intervallo di tempo sufficiente a consentire al liquido di drenare completamente. Successivamente, un reagente adatto controlla la completezza del lavaggio del precipitato. Dopo il completo lavaggio del liquido di lavaggio, il precipitato con il filtro viene leggermente asciugato in un armadio di essiccazione direttamente su un imbuto a 100-150 ° C. Il filtro dovrebbe quindi rimanere leggermente umido. I suoi bordi sono separati dall'imbuto con una spatola, coprendo completamente il sedimento con essi. Successivamente, il filtro con il sedimento viene rimosso dall'imbuto e collocato in un crogiolo, precedentemente pesato.

essiccazione

Dopo che il crogiolo contenente sedimento e filtro viene portato a peso costante, viene posto in un triangolo di porcellana posto su un anello di treppiede in un forno a muffola. Il riscaldamento è lento. In caso di riscaldamento rapido, le particelle di precipitato possono essere rilasciate con umidità evaporante. Dopo aver rimosso completamente il fluido, si aumenta il riscaldamento per carbonizzare gradualmente il filtro. È importante scegliere una temperatura alla quale la carta è carbonizzata, ma non accendersi, in modo da non trasportare particelle di materia dal crogiolo. Dopo aver calcinato e rimosso il filtro, il crogiolo viene posto in un essiccatore e raffreddato a temperatura ambiente. Dopo questo, la calcinazione viene pesata e ripetuta. Fatelo tutte le volte necessarie per ottenere una massa costante.

insediamenti

Una parte altrettanto importante del metodo gravimetrico di analisi sono i calcoli. Poiché questo processo è multistadio e vengono utilizzati in genere diversi reagenti, è necessaria una dimostrazione matematica di masse e volumi accettabili. Per condurre ricerche è necessario calcolare:

• dimensione del legamento;
• la quantità di precipitante o solvente, in base al metodo di analisi;
• la quantità di liquido di lavaggio;
• risultati della ricerca.

I metodi e le formule sono dettagliati in Shapiro in un libro di testo sulla chimica analitica e sul metodo di analisi gravimetrico. La precisione di ciascuno di questi elementi è leggermente diversa. I primi tre sono calcolati approssimativamente e i risultati dell'analisi calcolano fino a frazioni decimali di grammi.

Elaborazione dei risultati

A seconda della metodologia scelta e degli obiettivi di ricerca, il metodo di analisi gravimetrico consente di determinare la quantità di uno o più componenti nel campione in esame, oltre a condurre analisi elementare del composto. Spesso i dati sono pronti a servire per stabilire la formula di un composto. I risultati delle definizioni sono più spesso espressi in percentuale. Ad esempio, quando si analizzano le leghe, il risultato è descritto da un elenco di elementi chimici (% Fe,% Mn, ecc.). Lo studio delle rocce è espresso nella forma dei loro ossidi costituenti (% SiO ₂ ,% Fe ₂ O ₃ , ecc.).

Quindi, quando la parte determinata del campione viene selezionata nella stessa forma del campione, il suo contenuto x viene trovato dalla formula: x = (m ₀ · 100) / m _n , dove m ₀ è la massa della parte selezionata; m _n - intoppo.

Frazione di massa il componente determinato nel campione ω è calcolato dalla formula: ω = (m _grav.f · F · 100) / m _n .

Derivazione della formula

Se l'obiettivo di un metodo gravimetrico per analizzare un composto è derivare una formula, i dati ottenuti sugli elementi vengono aggiunti al rapporto:

a / M _a : b / M _b : c / M _c ,

dove a, b, e c sono le frazioni di massa degli elementi chimici A, B e C, e M _a , M _b, e M _c sono le loro masse molari. Le proporzioni frazionali risultanti risultano in un numero intero.