Количественный анализ. 
Количественный химический анализ

Задачей количественного анализа является определение содержания (массы или концентрации) того или иного компонента в анализируемом объекте.

Важными понятиями количественного анализа являются понятия «определяемое вещество» и «рабочее вещество».

Определяемое вещество. Рабочее вещество Химический элемент, ион, простое или сложное вещество, содержание которого определяют в данном образце анализируемого продукта, принято называть «определяемым веществом» (О.В.).

Вещество, с помощью которого это определение проводят, называют рабочим веществом (Р.В.).

Способы выражения состава раствора, используемые в аналитической химии.

1. Наиболее удобным способом выражения состава раствора является концентрация. Концентрация — это физическая величина (размерная или безразмерная), определяющая количественный состав раствора, смеси или расплава. При рассмотрении количественного состава раствора, чаще всего, имеют в виду отношение количества растворенного вещества к объему раствора.

Самой распространенной является молярная концентрация эквивалентов. Символ ее, записанный, например, для серной кислоты — С_экв(H₂SO₄), единица измерения — моль/дм³.

(1).

В литературе встречаются и другие обозначения этой концентрации. Например, С (½H₂SO₄). Дробь, стоящая перед формулой серной кислоты, означает, какая часть молекулы (или иона) является эквивалентом. Ее называют фактором эквивалентности, обозначают f_экв. Для H₂SO₄ f_экв = ½. Фактор эквивалентности рассчитывают на основе стехиометрии реакции. Число, показывающее, сколько эквивалентов содержится в молекуле, называют числом эквивалентности и обозначают Z*. f_экв = 1/Z*, поэтому молярную концентрацию эквивалентов обозначают и таким образом: C (1/Z*H₂SO₄).

2. В условиях аналитических лабораторий, когда приходится длительное время выполнять серии единичных анализов с использованием одной расчетной формулы, часто пользуются поправочным коэффициентом, или поправкой К.

Чаще всего поправка относится к рабочему веществу. Коэффициент показывает, во сколько раз концентрация приготовленного раствора рабочего вещества отличается от концентрации, выраженной округленными числами (0,1; 0,2; 0,5; 0,01; 0,02; 0,05), одно из которых может быть в расчетной формуле:

. (2).

К записывают в виде чисел, имеющих четыре знака после запятой. Из записи: К=1,2100 к С_экв(HCl)=0,0200 моль/дм³ следует, что С_экв(HCl) = 0,0200 моль/дм³ — это стандартная молярная концентрация эквивалентов HCl, тогда истинная рассчитывается по формуле:

.

3. Титр — это масса вещества, содержащегося в 1 см³ объема раствора.

Титр чаще всего относится к раствору рабочего вещества.

(3).

Единица измерения титра — г/см³, титр рассчитывают с точностью до шестого знака после запятой. Зная титр рабочего вещества, можно рассчитать молярную концентрацию эквивалентов его раствора.

(4).

4. Титр рабочего вещества по определяемому веществу — это масса определяемого вещества, эквивалентная массе рабочего вещества, содержащегося в 1 см³ раствора.

(5).

(6).

5. Массовая доля растворенного вещества равна отношению массы растворенного вещества, А к массе раствора:

. (7).

6. Объемная доля растворенного вещества равна отношению объема растворенного вещества, А к общему объему раствора:

. (8).

Массовая и объемная доли — величины безразмерные. Но чаще всего выражения для расчета массовой и объемной долей записывают в виде:

; (9).

. (10).

В этом случае единицей измерения и является процент.

Следует обратить внимание на следующие обстоятельства:

• 1. При выполнении анализа концентрация рабочего вещества должна быть точной и выражаться числом, содержащим четыре знака после запятой, если концентрация молярная эквивалентов; или числом, содержащим шесть знаков после запятой, если это — титр.
• 2. Во всех расчетных формулах, принятых в аналитической химии, единицей измерения объема является см³. Поскольку посуда, применяемая в анализе для измерения объемов, позволяет измерить объем с точностью до 0,01 см³, то именно с такой точностью следует записывать числа, выражающие объемы участвующих в анализе растворов определяемых и рабочих веществ.

Способы приготовления растворов Прежде, чем приступить к приготовлению раствора, следует ответить на следующие вопросы.

• 1. Для какой цели готовят раствор (для использования в качестве р.в., для создания определенного значения рН среды и т. д.)?
• 2. В каком виде наиболее целесообразно выразить концентрацию раствора (в виде молярной концентрации эквивалентов, массовой доли, титра и т. д.)?
• 3. С какой точностью, т. е. до какого знака после запятой должно быть определено число, выражающее выбранную концентрацию?
• 4. Какой объем раствора нужно приготовить?
• 5. Исходя из природы вещества (жидкое или твердое, стандартное или нестандартное), какой способ приготовления раствора нужно использовать?

Раствор можно приготовить следующими способами:

1. По точной навеске.

Если вещество, из которого нужно приготовить раствор, является стандартным, т. е. отвечает определенным (ниже перечисленным) требованиям, то раствор можно приготовить по точной навеске. Это означает, что массу навески рассчитывают и отмеряют на аналитических весах с точностью до четвертого знака после запятой.

Требования к стандартным веществам следующие:

• а) вещество должно иметь кристаллическую структуру и отвечать определенной химической формуле;
• б) не содержать посторонних примесей выше допустимого предела, устанавливаемого ГОСТом для данного вещества марки «ч.д.а.»;
• в) вещество должно быть устойчивым при хранении в твердом виде и в растворе;
• г) желательна большая молярная масса эквивалента вещества.
• 2. Из фиксанала.

Разновидностью способа приготовления раствора по точной навеске является способ приготовления раствора из фиксанала. Роль точной навески выполняет точное количество вещества, находящегося в стеклянной ампуле. Следует иметь в виду, что вещество в ампуле может быть стандартным (см. п. 1) и нестандартным. Это обстоятельство влияет на способы и длительность хранения приготовленных из фиксаналов растворов нестандартных веществ.

ФИКСАНАЛ (стандарт-титр, норма-доза) — это запаянная ампула, в которой находится в сухом виде или в виде раствора 0,1000, 0,0500 или другое количество молей эквивалентов вещества.

Для приготовления требуемого раствора ампулу разбивают над воронкой, снабженной специальным пробивным устройством (бойком). Содержимое ее количественно переносят в мерную колбу необходимой вместимости и доводят объем дистиллированной водой до кольцевой метки.

Раствор, приготовленный по точной навеске или из фиксанала называют титрованным, стандартным или стандартным раствором I, т.к. концентрация его после приготовления получается точной. Записывают ее в виде числа с четырьмя знаками после запятой, если это молярная концентрация эквивалентов, и с шестью знаками после запятой, если это — титр.

3. По приблизительной навеске.

Если вещество, из которого нужно приготовить раствор, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к стандартным веществам, и нет подходящего фиксанала, то раствор готовят по приблизительной навеске.

Рассчитывают массу вещества, которую нужно взять для приготовления раствора с учетом его концентрации и объема. Эту массу взвешивают на технических весах с точностью до второго знака после запятой, растворяют в мерной колбе. Получают раствор с приблизительной концентрацией.

4. Путем разбавления более концентрированного раствора.

Если вещество выпускается промышленностью в виде концентрированного раствора (понятно, что оно является нестандартным), то приготовить его раствор с меньшей концентрацией можно только путем разбавления концентрированного раствора. Готовя раствор этим способом, следует помнить, что масса растворенного вещества должна быть одинаковой как в объеме приготовленного раствора, так и в части концентрированного раствора, взятого для разбавления. Зная концентрацию и объем раствора, который нужно приготовить, рассчитывают объем концентрированного раствора, который нужно отмерить, с учетом его массовой доли и плотности. Отмеряют объем мерным цилиндром, переливают в мерную колбу, доводят дистиллированной водой до метки, перемешивают. Раствор, приготовленный таким способом, имеет приблизительную концентрацию.

Точную концентрацию растворов, приготовленных по приблизительной навеске и путем разбавления концентрированного раствора, устанавливают, проводя гравиметрический или титриметрический анализ, поэтому растворы, приготовленные этими способами, после того, как определены их точные концентрации, называют растворами с установленным титром, стандартизированными растворами или стандартными растворами II.

Формулы, применяемые для расчета массы вещества, необходимой для приготовления раствора Если раствор с заданной молярной концентрацией эквивалентов или титром готовят из сухого вещества А, то расчет массы вещества, которую необходимо взять для приготовления раствора, производят по следующим формулам:

; (11).

. (12).

Примечание. Единица измерения объема — см³.

Расчет массы вещества производят с такой точностью, которая определяется способом приготовления раствора.

Расчетные формулы, используемые при приготовлении растворов способом разбавления, определяются видом концентрации, которую необходимо получить, и видом концентрации, которую нужно разбавить.

Схема анализа Главное требование к анализу заключается в том, чтобы полученные результаты соответствовали истинному содержанию компонентов. Результаты анализа будут удовлетворять этому требованию только в том случае, если все операции анализа выполнены правильно, в определенной последовательности.

1. Первым этапом в любом аналитическом определении является отбор пробы для анализа. Отбирают, как правило, среднюю пробу.

Средняя проба — это часть анализируемого объекта, небольшая по сравнению со всей его массой, средний состав и свойства которой идентичны (оди-наковы) во всех отношениях его среднему составу.

Методы отбора проб различных видов продукции (исходного сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов разных отраслей) сильно отличаются друг от друга. При отборе проб руководствуются правилами, подробно описываемыми в технических руководствах, ГОСТах и специальных инструкциях, посвященных анализу этого вида продукции.

В зависимости от вида продукции и вида анализа проба может быть взята в виде определенного объема или определенной массы.

Отбор пробы — это очень ответственная и важная подготовительная операция анализа. Неправильно отобранная проба может совершенно исказить результаты, и в этом случае вообще бессмысленно выполнять дальнейшие операции анализа.

2. Подготовка пробы к анализу. Пробу, взятую для анализа, не всегда готовят каким-то специальным способом. Например, при определении влажности муки, хлеба и хлебобулочных изделий арбитражным методом определенную пробу каждого продукта взвешивают и ставят в сушильный шкаф. Чаще всего анализу подвергают растворы, полученные при соответствующей обработке пробы. В таком случае задача подготовки пробы к анализу сводится к следующему. Пробу подвергают такой обработке, при которой количество анализируемого компонента сохраняется, и он полностью переходит в раствор. При этом бывает необходимо устранить посторонние вещества, которые могут находиться в анализируемой пробе наряду с определяемым компонентом.

Подготовка пробы к анализу так же, как и отбор пробы, описываются в нормативной и технической документации, согласно которой производят анализы сырья, полуфабрикатов и готовых изделий. Из химических операций, которые входят в процедуру подготовки пробы к анализу, можно назвать одну, часто применяемую при подготовке проб сырья, полуфабрикатов, готовой продукции в пищевой промышленности, — это операция озоления.

Озоление — это процесс превращения какого-либо продукта (материала) в золу. Озолением готовят пробу при определении, например, ионов металлов. Пробу сжигают при определенных условиях. Оставшуюся золу растворяют в подходящем растворителе. Получают раствор, который подвергают анализу.

• 3. Получение аналитических данных. На подготовленную пробу в ходе анализа оказывают воздействие веществом-реактивом или каким-либо видом энергии. Это приводит к появлению аналитических сигналов (изменение окраски, появление нового излучения и др.). Появившийся сигнал можно: а) регистрировать; б) считать моментом, когда необходимо измерить определенный параметр в анализируемой системе, например, объем рабочего вещества.
• 4. Обработка аналитических данных.
• А) Полученные первичные аналитические данные используют для расчета результатов анализа.

Способы преобразования аналитических данных в результаты анализа могут быть разными.

• 1. Расчетный метод. Этот метод применяют очень часто, например, в количественном химическом анализе. Закончив анализ, получают объем рабочего вещества, затраченный на реакцию с определяемым веществом. Затем этот объем подставляют в соответствующую формулу и рассчитывают результат анализа — массу или концентрацию определяемого вещества.
• 2. Метод калибровочного (градуировочного) графика.
• 3. Метод сравнения.
• 4. Метод добавок.
• 5. Дифференциальный метод.

Эти способы обработки аналитических данных используют в инструментальных методах анализа, при изучении которых будет возможность подробно с ними познакомиться.

• Б) Полученные результаты анализа должны быть обработаны по правилам математической статистики, о которых речь идет в разделе 1.8.
• 5. Определение социально-экономического значения результата анализа. Эта стадия заключительная. Выполнив анализ и получив результат, необходимо установить соответствие между качеством продукции и требованиями нормативной документации на него.

Метод и методика анализа Для того чтобы от теории любого метода аналитической химии можно было перейти к конкретному способу выполнения анализа, важно различать понятия «метод анализа» и «методика анализа».

Когда речь идет о методе анализа, то это значит, что рассматриваются правила, следуя которым можно получить аналитические данные и их интерпретировать (см. раздел 1.4).

Методика анализа — это подробное описание всех операций выполнения анализа, включая взятие и подготовку проб (с указанием концентраций всех исследуемых растворов).

При практическом применении каждого метода анализа разрабатывается множество методик анализа. Они отличаются природой анализируемых объектов, способом взятия и подготовки проб, условиями проведения отдельных операций анализа и т. д.

Например, в лабораторном практикуме по количественному анализу, в числе прочих, выполняются лабораторные работы «Перманганатометрическое определение Fe²⁺ в растворе соли Мора», «Иодометрическое определение Cu²⁺», «Дихроматометрическое определение Fe²⁺». Методики их выполнения совершенно разные, но основаны они на одном и том же методе анализа «Редоксиметрия».

Аналитические характеристики методов анализа Для того, чтобы методы или методики анализа можно было сравнивать или оценивать между собой, что играет важную роль при их выборе, каждый метод и методика имеют свои аналитические и метрологические характеристики. К аналитическим характеристикам относятся следующие: коэффициент чувствительности (предел обнаружения), селективность, продолжительность, производительность.

Предел обнаружения (С_{мин., р}) — это наименьшее содержание, при котором по данной методике можно обнаружить присутствие определяемого компонента с заданной доверительной вероятностью. Доверительная вероятность — Р — это доля случаев, в которых среднеарифметическое результата при данном числе определений будет находиться в определенных пределах.

В аналитической химии, как правило, пользуются доверительной вероятностью Р = 0,95 (95%).

Другими словами, Р — это вероятность появления случайной ошибки. Она показывает, какое число опытов из 100 дает результаты, которые считаются правильными в пределах заданной точности анализа. При Р = 0,95 — 95 из 100.

Селективность анализа характеризует возможность определения данного компонента в присутствии посторонних веществ.

Универсальность — возможность обнаруживать многие компоненты из одной пробы одновременно.

Продолжительность анализа — время, затрачиваемое на его выполнение.

Производительность анализа — число параллельных проб, которые можно подвергнуть анализу за единицу времени.

Метрологические характеристики методов анализа Оценивая методы или методики анализа с точки зрения науки об измерениях — метрологии — отмечают следующие характеристики: интервал определяемых содержаний, правильность (точность), воспроизводимость, сходимость.

Интервал определяемых содержаний — это предусмотренная данной методикой область, в которой находятся значения определяемых количеств компонентов. При этом принято отмечать также нижнюю границу определяемых содержаний (С_н) — наименьшее значение определяемого содержания, ограничивающее интервал определяемых содержаний.

Правильность (точность) анализа — это близость полученных результатов к истинному значению определяемой величины.

Воспроизводимость и сходимость результатов анализа определяются разбросом повторных результатов анализа и обуславливаются наличием случайных погрешностей.

Сходимость характеризует рассеяние результатов при фиксированных условиях выполнения эксперимента, а воспроизводимость — при меняющихся условиях выполнения эксперимента.

Все аналитические и метрологические характеристики метода или методики анализа сообщаются в их инструкциях.

Метрологические характеристики получают, обрабатывая результаты, полученные в серии повторных анализов. Формулы для их расчета приведены в разделе 1.8.2. Они аналогичны формулам, по которым производится статическая обработка результатов анализа.