§ 3. Характеристика методов количественного анализа

Весовой анализ.

Весовой анализ основан на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в химически чистом состоянии или в виде осадка точно известного постоянного состава, в котором содержится определяемое соединение или ион. Например, определение по количеству выделившегося осадка относится к весовому методу анализа. Массу получаемого осадка определяют при помощи аналитических весов.

Содержание определяемого компонента в исходном веществе вычисляют исходя из весовых количеств вещества, взятого для анализа, и вещества, полученного в результате химической реакции (после соответствующей обработки). Так, если из а граммов исходного вещества получено b граммов определяемого компонента, то процентное содержание этого компонента в исходном веществе вычисляют по формуле:

Объемный (титриметрический) анализ.

Объемный анализ основан на измерении объема раствора реактива точно известной концентрации, израсходованного на реакцию с данным количеством определяемого вещества.

Например, определение содержания в соляной кислоте по объему раствора точно известной концентрации, пошедшему на реакцию образования , относится к объемному методу анализа.

Прибавление к определяемому веществу А раствора реактива В известной концентрации продолжают до завершения реакции, т. е. до достижения так называемой точки эквивалентности. Объем израсходованного раствора реактива , точно измеряют при помощи специальных приборов. Весовое количество реактива В, пошедшего на реакцию, вычисляют, умножая величину объема раствора реактива на содержание его в единице объема . Величину называют титром раствора. Так как 1 грамм-эквивалент анализируемого вещества вступает в реакцию с 1 грамм-эквивалентом реактива , то содержание анализируемого веществ в граммах вычисляют из пропорции:

или в процентах

(2)

где а — навеска вещества, г.

Отличие весового анализа от объемного (титриметрического).

Для определения одного и того же вещества в одном и том же объеме, например для определения содержания в соляной кислоте, могут быть использованы различные методы (весовой и титриметрический).

Весовой метод анализа отличается от титриметрического рядом особенностей.

1. В основе весового метода анализа лежит точное измерение массы, в основе объемного метода — измерение объема.

2. В весовом анализе измеряют массу определяемого вещества или малорастворимого осадка, в котором содержится определяемое соединение или ион; в объемном анализе измеряют объем реактива, использованного для реакции с анализируемым веществом.

3. В весовом анализе используют растворы основных исходных реактивов приблизительной концентрации; в объемном анализе применяют реактивы точно известной концентрации.

4. В весовом анализе, как правило, растворы реактивов приливают к анализируемому раствору в избытке; в объемном анализе — в строго эквивалентных количествах.

5. В весовом анализе не имеет особого значения вопрос, когда наступил момент эквивалентности; в объемном анализе решающее значение имеет фиксирование точки эквивалентности, которую определяют с помощью индикатора или другим способом.

6. В весовом анализе требуется много времени для осаждения вещества, декантации, фильтрования, промывания осадка, подготовки его к взвешиванию и т. д. Все операции в объемном анализе проводятся быстрее, чем в весовом анализе, так как определение в объемном анализе по существу начинается и заканчивается процессом постепенного приливания раствора реактива к анализируемому веществу до завершения реакции.

Так, для завершения определения весовым способом требуется от 2 до ; определение объемным методом продолжается обычно от нескольких минут до .

7. Весовой анализ отличается большой точностью порядка Объемный анализ менее точен, достигаемая точность составляет .

Газовый объемный анализ. Газовый анализ основан на поглощении газов соответствующими поглотителями. Например, при анализе газовой смеси, состоящей из , двуокись углерода поглощают раствором КОН или , окись углерода — аммиачным раствором , кислород — раствором пирогаллола, непредельные углеводороды — серной кислотой. При этом содержание определяемого компонента вычисляет на основании уменьшения объема оставшейся газовой смеси или падения давления.

К химическим методам газового анализа относят также газоволюметрический метод, основанный на определении содержания того или иного вещества по количеству выделившегося газа при взаимодействии определяемого вещества с реактивом. Например, для того, чтобы установить содержание карбонатов в соде, навеску анализируемого продукта обрабатывают кислотой. Выделяющуюся при этом двуокись углерода поглощают раствором едкого кали и взвешивают или измеряют объем выделившегося газа. По привесу сосуда, содержащего раствор КОН, вычисляют содержание , поглощенной щелочным раствором. Зная массу выделившейся , легко вычислить содержание карбонатов в образце соды.

Физические и физико-химические (инструментальные) методы анализа.

Весовой и объемный методы химического анализа дают возможность определять количественный состав самых разнообразных веществ. Однако выполнение определений этими методами иногда связано с большими трудностями, возникающими главным образом в тех случаях, когда в ходе анализа необходимо предварительно отделить определяемую составную часть от примесей. Особенно трудно выделять индивидуальные вещества из очень сложных смесей, компоненты которых обладают близкими свойствами. Часто интересующая химика-аналитика составная часть содержится в анализируемом веществе в столь малых количествах, что выделение ее обычными химическими методами практически невозможно.

К недостаткам химических методов анализа относится и сравнительно небольшой предел их чувствительности, несмотря на относительно большую точность определений.

Наконец, для выполнения анализа объемным и в особенности весовым методом, как правило, требуется много времени. Между тем на производстве скорость аналитического определения часто играет решающую роль. Поэтому наряду с химическими методами анализа все более широко применяются физические и физико-химические методы, отличающиеся многими преимуществами по сравнению с химическими методами. Иногда эти методы анализа называют «инструментальными».

Обычные химические методы основаны на применении химических реакций, протекающих с образованием осадков (в методах осаждения) или с выделением газов (в газовом анализе), реакций окисления — восстановления (в методах оксидиметрии) и т. п. Однако состав вещества иногда можно определить и другими методами, не связанными с химическими реакциями. В таких случаях для определения состава анализируемого вещества оказывается достаточным измерить показатели каких-либо физических свойств, например коэффициент лучепреломления, электро- или теплопроводность, потенциал электрода, погруженного в исследуемый раствор, и т. п. Так, определив плотность раствора кислоты или щёлочи, можно найти по соответствующим справочным таблицам процентное содержание их в данном растворе. Опустив в исследуемый раствор водородный или другой подходящий электрод, можно очень быстро определить с помощью потенциометра концентрацию ионов водорода (или ) данного раствора. Такие методы количественного анализа, позволяющие определять состав анализируемого вещества, не прибегая к использованию химических реакций, называют физическими методами анализа.

Для количественного анализа вещества можно использовать также химические реакции, протекание которых сопровождается изменением физических свойств анализируемого раствора, например изменением его цвета, интенсивности окраски, величины электропроводности и т. п. Измеряя электропроводность какого-либо электролита, изменяющуюся в результате взаимодействия его с другим веществом, можно определить количество этого вещества в растворе. Например, электропроводность баритовой воды изменяется в процессе поглощения ею двуокиси углерода. На этом свойстве основан метод определения .

Н. С. Курнаков (1860—1941).

Если через баритовую воду пропускать газ, содержащий , и одновременно измерять ее электропроводность, то можно найти количество , поглощенное баритовой водой, и рассчитать процентное содержание двуокиси углерода в исследуемом газе.

Методы анализа, основанные на наблюдении изменений физических свойств анализируемой системы, происходящих в результате определенных химических реакций, называют физико-химическими методами.

Физические и физико-химические методы анализа отличаются большой чувствительностью и быстротой выполнения аналитических определений. Например, пользуясь радиоактивационным методом, можно определять в анализируемых веществах , что во много раз превосходит возможности весового, объемного, и других методов анализа. Время, требуемое для завершения анализа физическими и физико-химическими методами, иногда измеряется минутами.

Физико-химические методы количественного анализа не следует смешивать с физико-химическим анализом по Н. С. Курнакову, с помощью которого изучают физические свойства систем в зависимости от их химического состава.