Определение железа в растворах хлорида железа (III)

Кыргызский Национальный Университет имени Ж. Баласагына Факультет химии и химической технологии Кафедра: ЮНЕСКО по экологическому образованию и естественным наукам Практическая работа по дисциплине: Аналитическая химия на тему: «Определение железа в растворах хлорида железа (III)»

Выполнила: студентка II курса гр. Х-2−09

Мирзобекзода Малика Пулодовна Проверил: доцент Ли Сергей Павлович Бишкек-2012

Содержание Введение

1. Теоритические основы и техника гравиметрического анализа

1.1 Классификация методов количественного анализа

1.2 Гравиметрический анализ

2. Химическая посуда и оборудование в гравиметрическом анализе

2.1 Химическая посуда

2.2 Оборудование

2.3 Аналитические весы. Правила обращения с ними

3. Операции гравиметрического анализа

3.1 Расчет навески исследуемого вещества и количества осадителя

3.2 Осаждение

3.3 Фильтрование и промывание

3.4 Высушивание и прокаливание

4. Вычисление результатов гравиметрического определения

5. Практическая часть

5.1 Определение железа в растворах хлорида железа (III)

5.2 Условия проведения реакции осаждения

5.3 Предворительные расчеты

5.4 Посуда

5.5 Выполнения определения

5.6 Вычисления результатов анализа

5.7 Статистическая обработка результатов Заключение Литература Введение Количественное определение вещества, основанное на точном измерении массы компонента пробы, выделенного либо в элементарном виде, либо в виде соединения определенного и постоянного состава, называется гравиметрическим (весовым) методом анализа. В основе метода лежат законы сохранения массы и постоянства состава вещества.

Гравиметрический метод (гравиметрия) применяется при анализе многих веществ, том числе и фармацевтических препаратов, на содержание летучих компонентов, влаги, остаточной золы. Весовым методом может быть количественно определено содержание основного компонента в ряде лекарственных препаратов кальция (хлорид, лактат, глюконат и др.), цинка (цинк-инсулин, оксид и сульфат), железа (глицерофосфат, лактат, сахарат, аскорбинат, сульфат и др.), кобальта (цианкобламин, ферковен, коамид), сульфатах натрия, магния, хинина, атропина, канамицина, 8-окисихинолина, гидробромиде тиамина, гидрохлориде хинина и т. д. Широко применяют гравиметрию при анализе различного минерального и растительного сырья на содержание солей тяжелых металлов, входящих в его состав.

Большое значение гравиметрический метод имеет при анализе промышленных отходов и сточных вод, а также при определении чистоты объектов окружающей среды.

Высокая точность (< 0,1%) и надежность гравиметрического анализа позволяют использовать его также и в качестве арбитражного метода для подтверждения результатов, полученных другими методами анализа, особенно при определении состава впервые синтезированных веществ.

1. Теоритические основы и техника гравиметрического анализа

1.1 Классификация методов количественного анализа Количественный анализ предназначен для установления количественного состава компонентов в анализируемой пробе. Ему предшествует качественный анализ, устанавливающий, какие компоненты (элементы, ионы, молекулы) присутствуют в анализируемой пробе.

Количественный анализ бывает трех видов: полный, частичный, общий. При полном количественном анализе устанавливается полный количественный состав всех компонентов, присутствующих в анализируемой пробе. Например, для полного количественного анализа крови необходимо определить содержание 12 компонентов: натрия, калия, кальция, глюкозы, билирубина и т. д. Полный анализ требует больших затрат времени и труда. При выполнении частичного анализа определяется содержание лишь заданных компонентов. Общий анализ устанавливает содержание каждого элемента в анализируемом образце независимо от того, в состав каких соединений они входят. Такой анализ обычно называют элементным.

Методы количественного анализа можно разделить на три большие группы: химические, физические, физико-химические.

Химические методы основаны на использовании количественно протекающих, различных по типу химических реакций: обменных, осадительных, окислительно-восстановительных и реакций комплексообразования. К химическим относятся гравиметрический и титриметрический (объемный) методы анализа.

Гравиметрический метод анализа основан на измерении массы определяeмoгo компонента после его выделения в виде гравиметрической формы. Метод характеризуется высокой точностью, но длителен и трудоемок. В фармацевтическом анализе его применяют в основном для определения влажности и зольности лекарственных препаратов.

Титриметрический метод анализа основан на введении в точно измеренный объем раствора анализируемого вещества точно отмеренного объема раствора известной концентрации — титранта. Титрант вводится до тех пор, пока анализируемое вещество полностью прореагирует с ним. Этот момент называют конечной точкой титрования и устанавливают с помощью специaльныx химических индикаторов или инструментальными методами. Среди химических методов количественного анализа это — самый распространенный метод.

Химические методы анализа, хотя и являются в настоящее время основными в химических лабораториях, во многих случаях не отвечают возросшим требованиям к анализу, таким как высокая чувствительность, экспрессность, селективность, автоматизация и др. Этих недостатков лишены инструментальные методы анализа, которые можно разделить на три большие группы: оптические, электрохимические, хроматографические.

1.2 Гравиметрический анализ Гравиметрический метод основан на точном измерении массы вещества известного состава, химически связанного с определяемым компонентом и выделенного в виде соединения или в виде простого вещества. Классическое название метода — весовой анализ. Гравиметрический анализ основан на законе сохранения массы вещества при химических превращениях и является наиболее точным из химических методов анализа: предел обнаружения составляет 0,10%; правильность (относительная ошибка метода) ±0,2%. В гравиметрическом анализе используют методы осаждения, отгонки (прямой и косвенной), выделения, термогравиметрию, электрогравиметрию. В методе осаждения определяемый компонент вступает в химическую реакцию с реагентом, образуя малорастворимое соединение. После проведения ряда аналитических операций (схема 1.1) твердый осадок известного состава взвешивают и проводят необходимые вычисления.

Методы отгонки могут быть прямые и косвенные. В методе прямой отгонки определяемый компонент выделяют из пробы в виде газообразного продукта, улавливают и затем определяют его массу. В методах косвенной отгонки массу газообразного продукта определяют по разности масс анализируемого компонента до и после термической обработки. В практике фармацевтического анализа этот метод широко применяется при определении влажности лекарственных препаратов, растительного сырья. Для некоторых лекарственных препаратов определение потери массы? m при высушивании (температуре высушивания tсуш) является одним из обязательных фармакопейных тестов, например: анальгин — tсуш = 100…105?С, Дm < 5,5%; пиридоксина гидрохлорид (витамин В6) — tсуш = 100…105 ?с, Дm < 0,5%; парацетамол — tсуш = 100…105 ?, Дm< 0,5% и т. п.

В термогравиметрическом анализе фиксируют изменение массы вещества в процессе нагревания, что позволяет судить о про исходящих превращениях и установить состав образующихся промежуточных продуктов. Термогравиметрический анализ осуществляют при помощи приборов дериватографов. В ходе эксперимента фиксируют изменение массы анализируемого образца (ось ординат) в зависимости от времени или температуры (ось абсцисс) и представляют в виде термогравиметрической кривой — термоrравиграммы. Термогравиметрия широко используется для исследования изменения состава вещества и выбора условий высушивания или прокаливания осадков. Электрогравиметрический анализ основан на электролитическом выделении металлов и взвешивании полученного на электроде осадка. Основным физическим условием электpoлитичecкoгo разделения металлов является определенное напряжение, при котором осаждаются одни и не выделяются другие металлы. В аналитической практике наиболее широкое применение находит гравиметрический метод осаждения, который и будет рассмотрен более подробно.

2. Химическая посуда и оборудование в гравиметрическом анализе

2.1 Химическая посуда В гравиметрическом анализе используют ту же стеклянную посуду, что и в качественном анализе, но больших размеров.

Химическая посуда и оборудование представлены на рисунках:

Стаканы. В гравиметрическом анализе применяют тонкостенные стаканы (с носиком) объемом 100−250 см3. Для осаждения рекомендуется использовать стаканы объемом 200−250 см3, а для подготовки раствора осадителя объемом 100 см³ (рис. 1).

Рис. 1 — Химические стаканы: ас носиком; б — без носика; в — калиброванный Воронки. Для фильтрования применяют стеклянные воронки, имеющие форму правильного конуса (600) и срезанный длинный конец (рис.2). Размер воронки подбирают по объему осадка.

Рис. 2 — Стеклянная воронка Стеклянные палочки. Используют палочки с оплавленными концами толщиной 5−6 мм и длиной 150−200 мм. На один конец палочки надевают резиновый наконечник длиной 8−10 мм. Часовые стекла. Для взвешивания навесок удобно пользоваться часовыми стеклами диаметром 50−70мм, а для накрывания стаканов или воронок — диаметром 80−100 мм. Стеклянные бюксы. Для взвешивания жидкостей и нестойких на воздухе твердых веществ применяют бюксы с пришлифованной крышкой (рис. 3). Наиболее удобны бюксы высотой 40−50 мм и диаметром 30−60 мм.

Рис. 3 — Стеклянный бюкс Фарфоровые тигли. Для сжигания фильтров и прокаливания осадков применяют низкие тигли диаметром 35−50 мм с широким дном (рис. 4). Фарфоровые тигли перед использованием осторожно очищают горячей разбавленной (1:1) соляной кислотой, затем хромовой смесью и водой.

Рис. 4 — Фарфоровый тигель Тигельные щипцы. Устанавливают и вынимают из печи тигли длинными щипцами (300−400 мм), имеющими плоские, загнутые кверху концы.

Эксикаторы. Эти приборы применяют для охлаждения до комнатной температуры нагретых или прокаленных веществ, а также тары (тигли, бюксы, часовые стекла) Эксикатор представляет собой толстостенный стеклянный сосуд, закрывающийся пришлифованной крышкой. В нижней части эксикатора помещено водопоглощающее средство (хлорид или оксид кальция, оксид фосфора (V), концентрированная серная кислота (96%), силикагель). Над поглотителем влаги в эксикатор помещен фарфоровый вкладыш с отверстиями для тиглей. При работе с эксикаторами обязательно нужно следить, чтобы пришлифованные части были смазаны тонким слоем вазелина или другой смазки. Эксикаторы при переносе, во избежание соскальзывания крышки, берут таким образом, чтобы большие пальцы плотно прижимали крышку.

Рис. 5 — Эксикатор Фарфоровые треугольники. Прокаливание фарфоровых тиглей ведут в фарфоровых треугольниках, сделанных из фарфоровых трубок, которые насажены на металлическую основу. Треугольник следует применять таких размеров, чтобы тигель, вставленный в него, выступал наружу не более чем на 1/3 высоты.

Рис. 6 — Фарфоровый треугольник

2.2 Оборудование Сушильные шкафы. Сушку посуды, исследуемых веществ производят в электрических сушильных шкафах с автоматическим терморегулятором, который регулирует температуру в пределах от 50 до 200−2500 С. Внутри шкафа встроены две или три металлические полки с круглыми отверстиями, на которые ставят бюксы, стаканы, часовые стекла и т. п. Воронки и пробирки вставляют в отверстия полок (рис. 7).

Рис. 7 — Лабораторные сушильные электрошкафы Камерные (муфельные) электропечи. Предназначены для прокаливания тиглей и тиглей с осадком. В муфельных печах можно достичь 1000−12 000С. Они снабжены сигнальными лампами. Зеленая лампа сигнализирует, что печь включена, а красная — сигнализатор перегрева печи выше требуемой температуры (рис. 8).

Рис. 8 — Лабораторные камерные электропечи

2.3 Аналитические весы Правила обращения с аналитическими весами Рис. 9 — Аналитические весы: ВЛА — 200 (а) и автоматические весы «OHAUS» AV 264 C с цифровой индикацией (б) Аналитические весы — это один из основных приборов в количественном анализе для определения массы вещества. Они позволяют определять массу с точностью до 0,0001 г. Они бывают различных типов. На рис. 9 представлены аналитические весы марки ВЛА — 200 (а) и автоматические весы с цифровой индикацией (б).

Аналитические весы — точный физический прибор, требующий осторожного обращения. Чтобы они долго служили и взвешивание давало точные результаты, необходимо соблюдать следующие правила.

Правила обращения с аналитическими весами (ВЛА -200)

перед взвешиванием необходимо проверить состояние весов, установить нулевую точку;

никогда не следует нагружать весы сверх установленной нагрузки. Если масса предмета сомнительна, то его необходимо предварительно взвесить на технических весах;

прежде чем ставить предмет на чашку весов, необходимо убедиться, нет ли загрязнений на его внешней поверхности;

не сдвигать весы с занимаемого ими места;

ставить предметы или гирьки на чашки весов или снимать их можно только после предварительного арретирования весов. Поворачивать арретир следует медленно и осторожно;

на чашки весов нельзя ставить горячих предметов. Взвешиваемый предмет должен охладиться или нагреться до температуры весов.

Взвешивание вещества необходимо производить в специальной посуде: в тигле, на часовом стекле, в бюксе;

при взвешивании следует пользоваться только боковыми дверцами. Передние дверцы должны быть все время закрыты;

гирьки следует брать только пинцетом;

летучие и гигроскопические вещества нужно взвешивать в хорошо закрытых сосудах;

дверцы весов во время взвешивания должны быть закрыты;

все взвешивания производить на одних и тех же весах, пользуясь одним и тем же разновесом;

запись результатов взвешивания производить по пустым гнездам в ящике, проверяя затем при переносе в них гирек;

по окончании взвешивания весы должны быть арретированы, дверцы закрыты, малый и большой лимб поставлены на нулевое положение, осветитель выключен при помощи штепсельной вилки;

весы нужно содержать в чистоте, случайно рассыпанное вещество нужно удалить специальной кисточкой. При неисправности весов следует обращаться к преподавателю.

Правила взвешивания на автоматических весах с цифровой индикацией Включить шнур весов в сеть. Нажать на клавишу «On/Zero» для установки весов на нуль. Если нужно взвесить сыпучие вещества, то предварительно нужно поместить на чашку весов сухой пустой бюкс или стаканчик для отображения на дисплее их массы. Нажатием на клавишу «Tare» убирается с дисплея масса тары. Насыпать сухое вещество в бюкс и поставить на чашку весов. На дисплее отобразится масса вещества. После взятия навески вещества вновь надо нажать на клавишу" Tare" до появления на дисплее цифры 0,0000 г. Для выключения весов нажать на клавишу «On/Zero» до исчезновения на дисплее цифр. Выключить весы из сети.

3. Операции гравиметрического анализа Гравиметрический анализ включает следующие операции:

· расчет навески исследуемого вещества и количества осадителя;

взятие навески анализируемого вещества и растворение его в соответствующем растворителе;

осаждение определяемого компонента из раствора в виде малорастворимого соединения (осаждаемая форма) действием осадителя;

декантация и фильтрование полученного осадка;

промывание осадка от посторонних примесей, адсорбировавшиеся на осадке;

высушивание, обугливание и прокаливание осадка для переведения его в более устойчивое соединение определенного состава (весовая форма);

взвешивание массы прокаленного осадка и расчет содержания определяемого компонента в исследуемой пробе.

3.1Расчет навески исследуемого вещества и количества осадителя

Аналитической практикой установлено, что наиболее удобны в работе кристаллические осадки с массой около 0,5 г и объемистые аморфные осадки с массой 0,1−0,3 г. Учитывая эти нормы осадков и зная приблизительное содержание определяемого элемента в веществе, вычисляют необходимую величину навески по стехиометрическому уравнению реакции. Величина навески исследуемого вещества влияет на точность проведения анализа. Чем больше величина навески, тем выше точность проведенного анализа, но большое количество осадка трудно отмыть от примесей, возрастает время, необходимое для анализа. При уменьшении навески вещества возрастает относительная ошибка анализа даже при незначительных потерях осадка.

Количество осадителя рассчитывается по уравнению реакции и зависит от величины навески исследуемого вещества. Практически полным будет осаждение определяемого компонента тогда, когда количество остающегося в растворе вещества не выходит за пределы точности взвешивания на аналитических весах, т. е. не превышает 0,0001 г. Степень полноты осаждения зависит от количества прибавляемого осадителя. Экспериментально установлено, что потери осадка вследствие растворимости значительно ниже точности взвешивания на аналитических весах при использовании полутора, а в некоторых случаях двукратного избытка осадителя. При большом избытке осадителя, возможно растворение осадка из-за «солевого эффекта»

Выбор осадителя зависит от требований, которые предъявляются к нему.

Осадитель должен:

быть специфическим, т. е. должен осаждать только определяемый компонент;

образовывать с определяемым веществом малорастворимые соединения с растворимостью не более 10−7 — 10−8 моль/л;

образовывать с определяемым веществом крупнокристаллический хорошо фильтруемый и промываемый осадок;

не вступать в какое-либо химическое взаимодействие с осадком.

быть летучим, чтобы легко удалить его избыток при высушивании или прокаливании осадка.

3.2 Осаждение Соединение, в виде которого определяемый компонент осаждается из раствора, называется осаждаемой формой. Она может быть кристаллической и аморфной. В зависимости от формы осадка условия осаждения различны, необходимо учитывать концентрацию исследуемого раствора и осадителя, температуру, среду и концентрацию посторонних веществ.

Для получения крупнокристаллических осадков необходимо:

осаждение вести из относительно разбавленных растворов разбавленным раствором осадителя;

осаждение производить из горячих растворов. В результате повышения растворимости осадка образование мелких кристаллов уменьшается;

приливать осадитель постепенно при помешивании, чтобы избежать пересыщения раствора, что может вызвать образования мелкокристаллического осадка;

осаждение вести из подкисленных растворов, что способствует растворимости мелких кристаллов;

дать полученному осадку постоять для «созревания осадка», т. е. рекристаллизации. При этом мелкие кристаллы растворяются, а крупные растут.

При определении некоторых веществ получают только аморфные осадки, например, гидроксиды железа, никеля и других ионов. Для достижения полноты осаждения аморфных осадков и предупреждения образования ими коллоидных растворов, необходимо соблюдать следующие условия:

осаждение вести из концентрированных растворов концентрированным раствором осадителя;

осаждение вести из горячих растворов;

осаждение вести в присутствии электролита коагулянта, предупреждающего образование осадком коллоидного раствора.

Осаждение проводят в химических стаканах вместимостью 200 — 400 мл, путем медленного прибавления осадителя. Рассчитанное количество раствора осадителя помещают в бюретку и закрепляют ее в штативе. Можно вести осаждение из пипетки, но это менее удобно. Исследуемый раствор разбавляют до нужного объема, добавляют в него необходимые вспомогательные реагенты и нагревают, не доводя до кипения (чтобы не произошло потерь из-за разбрызгивания раствора). Помещают в стакан стеклянную палочку с резиновым наконечником так, чтобы наконечник был снаружи (стеклянные палочки являются важным инструментом в гравиметрии, служащим для перемешивания растворов, для фильтрования жидкостей, перенесения их из одного сосуда в другой). Ставят стакан под бюретку так, чтобы носик бюретки находился внутри стакана, и медленно, по каплям, добавляют раствор осадителя при непрерывном перемешивании осаждаемого раствора палочкой (следует избегать касания палочкой стенок и дна стакана). Раствор осадителя должен литься по внутренней стенке стакана, а не в середину, во избежание разбрызгивания. После добавления осадителя следует убедиться в полноте осаждения определяемого иона. Для этого дают осадку осесть на дно стакана и к просветленному раствору добавляют несколько капель осадителя, наблюдая, не появится ли муть в местах падения капель осадителя. Если муть не появляется, то можно считать, что полнота осаждения достигнута.

гравиметрический аналитический осадитель железо

3.3 Фильтрование и промывание

Эти операции очень важные и ответственные, от тщательности выполнения которых, в значительной мере зависит точность результатов анализа. В гравиметрическом анализе применяют так называемые бумажные беззольные фильтры, т. е. фильтры, очищенные от большей части минеральных веществ. При сгорании и прокаливании такого фильтра он оставляет мало золы, масса которой выходит за пределы чувствительности аналитических весов (около 0,1 мг) и заведомо известна, ее значение необходимо вычитать из массы осадка. Беззольные фильтры выпускаются различной степени пористости, которую обозначают специальной лентой, опоясывающей пачку фильтров. Для фильтрования аморфных и крупнокристаллических осадков применяются наименее плотные, быстро фильтрующие фильтры (черная или красная лента). Фильтры с «белой лентой» служат для отфильтровывания осадков средней дисперсности. Фильтры «синяя лента» — это наиболее плотные фильтры, их используют для отделения мелкокристаллического осадка. При выборе размера фильтра (они бывают диаметром 6, 9, 12 см и более) следует руководствоваться не объемом фильтруемой жидкости, а количеством осадка.

Фильтрование — процесс длительный, при ее выполнении следует соблюдать следующие правила работы. Чистыми сухими руками перегибают фильтр по диаметру пополам, затем полученный полукруг перегибают еще раз пополам, так чтобы боковые линии и верхние четверти круга не совпадали на 3 — 5 мм (рис. 10).

Рис. 10 — Правильно сложенный фильтр Отрывают уголок у приспущенного сектора, разворачивают фильтр, чтобы образовался конус (край с оторванным уголком должен находиться снаружи конуса) и вставляют его в стеклянную воронку, смачивают фильтр дистиллированной водой и осторожно прижимают пальцами края фильтра к стенкам воронки так, чтобы фильтр плотно без зазоров прилегал.

В противном случае в трубку воронки попадают пузырьки воздуха, что сильно замедляет движение по ней жидкости. Край фильтра должен отстоять от края воронки на 5−8 мм (рис. 11). Воронку с влажным фильтром помещают в малое кольцо штатива, подставив по нее чистый стакан, так чтобы конец трубки воронки касался стенки стакана. Фильтрование начинают, сливая (декантируя) жидкость над осадком через носик стакана по стеклянной палочке. Берут стакан с осадком правой рукой, подносят к воронке. Осторожно левой рукой вынимают палочку из стакана и, чтобы ни одна капля раствора не попала мимо фильтра, палочку держат почти вертикально над воронкой, опустив ее конец на глубину воронки примерно на 2 см в той части фильтра, где он имеет три слоя (палочка не должна касаться фильтра) и жидкость сливают из стакана на фильтр. Уровень жидкости на фильтре должен быть всегда на 4−5 мм ниже его края. Затем осадок заливают промывной жидкостью, помешивают стеклянной палочкой, дают осесть и снова сливают отстоявшуюся жидкость. Стеклянная палочка в процессе декантирования должна быть или в руке, или в стакане, ни в коем случае нельзя класть ее на стол. Подобное декантирование производят несколько раз и только потом переносят осадок на фильтр. Для перенесения осадка на фильтр его взмучивают промывной жидкостью, количество которой должно быть таким, чтобы поместилось на фильтре в один прием. Потеря одной капли суспензии может привести к ошибке анализа. Маленькими порциями промывной жидкости желательно возможно полнее перенести осадок на фильтр. Приставшие к стенке стакана частицы осадка снимают резиновым наконечником стеклянной палочки. Под конец кусочком фильтровальной бумаги обтирают палочку и помещают осадок на фильтр.

Рис. 11 — Операция фильтрования. Приемы декантации, фильтрования (а, б, в) и перенесения осадка (г) на фильтр Осадок на фильтре промывают 3−4 раза, давая полностью стекать жидкости. Полноту промывания на отмываемую примесь проверяют с помощью подходящего качественного реагента. Для этого собирают в чистую пробирку несколько миллилитров стекающей с фильтра жидкости и прибавляют реагент. Фильтрование и промывание необходимо заканчивать на одном занятии.

3.4 Высушивание и прокаливание После промывания осадка воронку накрывают листком фильтровальной бумаги, сгибая края вокруг воронки, и помещают в термостат, где и высушивают при температуре 80−90оС. На бумаге предварительно нужно записать фамилию и формулу осадка. Когда бумага станет сухой, приступают к обугливанию, с последующим прокаливанием. Эти операции производятся в предварительно прокаленном и доведенном до постоянной массы тигле. В подготовленный тигель помещают вынутый из воронки фильтр с осадком. Края фильтра завертывают так, чтобы осадок оказался внутри фильтра. Необходимо следить, чтобы фильтр не загорался, так как при горении возможны потери осадка. После того как произойдет обугливание и перестанет выделяться дым, при помощи тигельных щипцов переносят тигель с осадком переносят в муфельную печь. Время прокаливания осадков разное, зависит от структуры осадка. После прокаливания тигель с осадком переносят в эксикатор и после охлаждения взвешивают.

4. Вычисление результатов гравиметрического определения Гравиметрический анализ включает два экспериментальных измерения: определение массы навески mн анализируемого вещества и массы продукта известного состава, полученного из этой навески, то есть массы гравиметрической формы mгр. ф анализируемого вещества.

На основании этих данных несложно вычислить массовую процентную долю w, % определяемого компонента в навеске:

w, % = mгр. ф • F • 100 / mн ,

где F — гравиметрический фактор (фактор пересчета, аналитический множитель) рассчитывают как отношение молекулярной массы определяемого компонента к молекулярной массе гравиметрической формы с учетом стехиометрических коэффициентов.

Значение гравиметрических факторов, рассчитанное с высокой точностью, приводится в справочной литературе.

Пример 1. Сколько граммов Fе2О3 можно получить из 1,63 г Fе3О4? Рассчитайте гравиметрический фактор.

Р е ш е н и е. Необходимо допустить, что Fе3О4 количественно превращается в Fе2О3 и для этого имеется достаточное количество кислорода:

2 Fе3О4 + [О] - 3 Fе2О3

Из каждого моля Fе3О4 получается 3/2 моля Fе2О3. Таким образом, число молей Fе2О3 больше, чем число молей Fе3О4, в 3/2 раза, то есть:

nM (Fе2О3) = 3/2 nM (Fе3О4);

m (Fе2О3) / М (Fе2О3) = 3/2 m (Fе3О4) / М (Fе3О4)

где n — число молей определяемого компонента, из которого получается один моль гравиметрической формы; m — масса вещества, г; М — молярная масса вещества, г/моль.

Из формулы m (Fе2О3) = 3/2 (m (Fе3О4) • М (Fе2О3)) / М (Fе3О4)

получаем

m (Fе2О3) = m (Fе3О4) • 3 М (Fе2О3) / 2 М (Fе3О4)

и подставляем в нее численные значения:

m (Fе2О3) = 1,63 •(3 • 159,7) / (2 • 231,5) = 1,687? 1,69 г.

Гравиметрический фактор F равен:

F = 3 М (Fе2О3) / 2 М (Fе3О4) = 1,035.

Следовательно, в общем случае гравиметрический фактор определяют по формуле:

F = (а • Мопред. в-во) / (b • Мгр. ф),

где, а и b — небольшие целые числа, на которые нужно умножить молекулярные массы, чтобы число молей в числителе и знаменателе было химически эквивалентно.

Однако не во всех случаях эти расчеты применимы. При косвенном определении железа в Fе2(SО4)3, которое заключается в осаждении и взвешивании BaSО4 (гравиметрическая форма), при расчете аналитического фактора в числителе и знаменателе формулы нет общего элемента. Здесь необходим другой способ выражения химической эквивалентности между этими величинами:

2 M (Fe3+) ?? l М (Fе2(SО4)3) ?? 3 M (SO42-) ?? 3 M (BaSО4).

Гравиметрический фактор для массовой процентной доли железа будет выражаться:

F = 2M (Fe3+) / 3M (BaSО4) .

5. Практическая часть

5.1 Определение железа в растворах FeCl3

Определение железо обычно проводят объемными или инструментальными методами анализа являющимися более точными и быстрыми. Однако определение железо гравиметрическим способом является хорошим примером осаждения аморфных осадков.

Метод основан на осаждение гидроксидом аммония ионов Fe3+ в виде Fe (OH)3, получении весовой формы Fe2O3 прокаливанием Fe (OH)3 и пересчете весовой формы на железо.

Уравнение реакции:

FeCl3 +3NH4OH Fe (OH)3 +3NH4Cl

Fe3+ +3NH4OH Fe (OH)3 +3NH4+

При прокаливании гидроксид железа превращается в безводный оксид железа, весовую форму, которую и взвешивают:

2Fe (OH)3Fe2O3 +3H2O

Длительного прокаливания избегают, так как это приводит к частичному восстановлению оксида железа:

6Fe2O3 4Fe3O4 + O2

Но если к охлажденной Fe3O4 прибавить 1 каплю концентрированной азотной кислоты и осторожно нагреть тигель на пламени горелки, то восстановленное железо окисляется:

Fe3O4 +2HNO3 3Fe2O3 + H2O +2NO2

Гидроксид железа осаждают из нагретых растворов и в присутствии электролита-коагулятора, так как аморфный осадок гидроксида железа легко может давать коллоидные растворы. Следует также иметь ввиду, что при нагревании соли железа склонны подвергаться гидролизу:

FeCl3 +2HOH Fe (OH)2Cl+2HCl

Fe (OH)2Cl +2HOH Fe (OH)3+2HCl

Поэтому в процессе анализа для подавления гидролиза и для окисления Fe2+ в Fe3+ прибавляют азотную кислоту:

3Fe2+ + 4HNO3 3Fe3+ +NO+2H2O +3NO3;

5.2 Условия проведения реакции осаждения

1. Осаждение ведут из кислого раствора при рН=2−3 и при 75−90?С.Заканчивают осаждение в нейтральной или слабощелочной среде при рН=7−9.

2. Катионы Fe2+, возможно присутствующие в растворе, должны быть предварительно окислены до Fe3+.

3. Для предупреждения образования коллоидной системы и для быстрой коагуляции образующегося аморфного осадка в анализируемый раствор предварительно добавляют коагулянт-нитрат аммония (или, что менее желательно, NH4Cl).

4. Осаждению мешают многие другие катионы, осаждаемые NH4OH в виде гидроокисей вместе с Fe (OH)3. Число катионов металлов, осаждаемых аммиаком, очень велико. К ним относятся катионы бериллия, алюминия, хрома, циркония, титана, урана, ниобия, тантала, висмута, таллия, галлия, индия, редкоземельных металлов и др. Поэтому перед осаждением Fe (OH)3 мешающие катионы должны быть удалены из анализируемого раствора.

5. Осаждению мешают многие анионы, которые осаждаются в аммиачной среде в виде нерастворимых солей катионов, присутствующих в анализируемом растворе. К ним относятся силикаты, фосфаты, бораты, арсенаты и др. Поэтому осаждение Fe (OH)3 должно предшествовать выделение кремневой кислоты и отделение мешающих анионов.

6. Неудовлетворительные результаты анализа получаются даже в том случае, если в анализируемом растворе находятся в большом количестве ионы, не осаждаемые в присутствии избытка аммиака, но осаждаемые вместе с Fe (OH)3. К ним относятся катионы меды, кальция, цинка, никеля, кобальта и др. Поэтому осаждение нужно вести в отсутствии больших количеств соосаждаемых катионов.

7. Ионы Fe3+ весьма склонны к образованию прочных комплексных соединений с органическими и неорганическими соединениями (оксисоединениями, фторидами, фосфатами и др.). Поэтому в анализируемом растворе не должны содержаться комплексообразующие вещества, маскирующие ионы железа.

8. При последующем прокаливании Fe (OH)3, которую осаждали в присутствии хлоридов или промывали жидкостью, содержащей NH4Cl, может произойти потеря железа вследствие улетучивания FeCl3, образующегося по уравнению:

Fe (OH)3 + 3NH4Cl FeCl3 + 3Н2О + 3NH3

Поэтому, чтобы избежать возможных потерь FeCl3, необходимо Fe (OH)3 промывать смесью NH4NO3 + NH4OH, в конце промыть осадок 5−10 мл горячей дистиллированной воды.

5.3 Предварительные расчеты Рассчитаем навеску FeCl3, которую следует взять для указанного аналитического определения. Этот анализ относится ко второму типу весовых определений. Следовательно, для анализа должно быть взято такое количество соли железа, чтобы масса получаемой весовой формы при данном определении не превышала 0,1 г. Составляем пропорцию, учитывая, что 1 моль Fe (OH)3 образуется из 1 моль FeCl3· 6Н2О:

FeCl3· 6Н2О + 3NH4OH Fe (OH)3 + 3NH4Cl + 6Н2О М® FeCl3· 6Н2О = 2*((56+(35,5*3)+(6*18))) = 541 г М® Fe (ОН)3 = 56+((16+1)*3) = 107г

270,5 г FeCl3· 6Н2О — 107 г Fe (OH)3

X г FeCl3· 6Н2О — 0,1 г Fe (OH)3

x = 270,5*0,1/107=0,25 г FeCl3· 6Н2О Следовательно, для анализа нужно взять приблизительно 0,25 г FeCl3· 6Н2О.

5.4 Посуда При выполнении анализа существенную роль играет правильный выбор посуды, который зависит от характера проводимых операций и объема применяемых растворов.

В данном определении основными операциями являются растворение навески, осаждение и промывание осадка.

Наиболее подходящим сосудом для растворения и осаждения является высокий химический стакан. Вести осаждение в колбах нельзя, так как количественно извлечь из них выпавший осадок не представляется возможным. Таким образом, для выполнения данного определения потребуется следующая посуда:

1. Химический стакан емкостью 200 мл;

2. Стеклянная палочка длиной, превышающей высоту стакана в полтора раза;

3. Часовое стекло или калька для взятия навески;

4. Воронка диаметром 50−70 мм с косо срезанным концом;

5. Фарфоровый тигель.

Вся посуда, с которой работает аналитик, должна быть совершенно чистой. Поэтому перед выполнением работы надо тщательно помыть посуду и промывать дистиллированной водой.

5.5 Выполнения определения Взятие навески. Вначале следует взять кальку, предварительно взвешенную на аналитических весах, насыпают туда соль хлорида железа около 0,25 г и проводят точное взвешивание со всеми описанными ранее предосторожностями. Вычесть из массы кальки с навеской массу кальки, и получают массу навески хлорида железа. Навеску следует перенести в предварительно вымытый химический стакан на 150−200 мл.

Растворение. В стакан с навеской осторожно вливают по палочке из мерного цилиндра 50 мл дистиллированной воды и слегка нагревают содержимое стакана (с опушенной в него палочкой) до тех пор, пока навеска полностью не растворится.

Осаждение. Раствор хлорида железа подкисляют 3−5 мл 2н. раствора азотной кислоты и осторожно нагревают до 75−90?С (не до кипения). Для этой цели очень удобны водяные бани с электрическим обогревом. К горячему раствору при перемешивании приливают 10%-ный раствор NH4OH до появления слабого запаха аммиака. Осадитель следует приливать медленно, по каплям, при энергичном перемешивании раствора. После этого содержимое стана перемешивают стеклянной палочкой и для уменьшения адсорбции посторонних веществ разбавляют 100 мл горячей дистиллированной водой.

Проба на полноту осаждения. Дают 4−5 минут отстояться, после чего проверяют на полноту осаждения. Для этого в раствор вводят пипеткой (держа ее кончик на расстоянии 1 см от поверхности раствора) 1−2 капли 2н. раствора NH4OH и внимательно наблюдают, как капли NH4OH смешиваются с раствором. Если в этом месте не происходит помутнения, то считают, что полнота осаждения достигнута.

Декантация и фильтрование. Для отделение осадка от раствора используют беззольный фильтр «красная лента». Воронку берут с углом 60?, тогда сложенный вчетверо фильтр и развернутый в воронке фильтр будет плотно прилегать к ее стенке. Воронка должна быть чистая и сухая. Обеззоленный фильтр складывают вчетверо, вставляют в воронку, расплавляют. Фильтр не должен выходить за края воронки. Плотно прижатый к стенке воронки фильтр смачивают водой. Затем помешают воронку с фильтром в кольцо штатива и подставив под воронку чистый стакан, декантируют по стеклянной палочке жидкость на фильтр, стараясь не взмучивать раствор. При декантации нужно часто доливать раствор в фильтр, так как при «полном» фильтре фильтрование идет быстрее вследствие давления столба жидкости, поэтому стакан лучше не выпускать из рук. Все операции проводят тщательно.

Промывание осадка. Когда жидкость над осадком будет отделена, приступают к промыванию осадка. Для этого осадок в стакане промывают 2−3 раза небольшими порциями (15−20 мл) промывной жидкости. Промывают горячим 2%-ным раствором нитрата аммония, к которому прибавляют до слабого запаха раствор аммиака. Затем новыми небольшими порциями промывной жидкости очень осторожно количественно переносят осадок на фильтр, используя стеклянную палочку с резиновым наконечником. Когда весь осадок перенесен на фильтр, его вновь промывают на фильтрате промывной жидкостью. Заканчивают промывание тогда, когда будут полностью отмыты ионы хлора.

Высушивание осадка. Воронку с промытым осадком накрывают листком бумаги, отгибают его края кругом книзу, накалывают маленькие отверстия для ускорения удаления паров воды и ставят для сушки в сушильный шкаф. Не следует добиваться абсолютного высушивания, так как сухой фильтр будет ломаться.

Озоление фильтра. Для отделение осадка от фильтра нужно сжечь фильтр. Для этого подготовленный тигель, предварительно прокаленный до постоянной массы, при помощи треугольника с фарфоровыми трубками укрепляют на кольце железного штатива. В тигель кладут фильтр с осадком. Для этого фильтр с осадком осторожно извлекают из воронки за верхний край, кладут на чистое стекло и разворачивают. При этом нельзя касаться пальцами осадка. Затем фильтр складывают вдвое так, чтобы осадок оказывается как бы в пакетике. Наконец, фильтр свертывают рулоном так, чтобы осадок оказался в середине его. Свернутый фильтр помещают в тигель. Под тигель подставляют газовую или спиртовую горелку с небольшим пламенем.

Прокаливание осадка. Тигель с озоленным фильтром осторожно переносят при помощи тигельных щипцов в электрическую муфельную печь и прокалят до постоянной массы при температуре 1000−1100?С. Следует иметь ввиду, что при длительном и сильном прокаливании (1400−1500?С) Fe2O3 может восстанавливаться до FeO· Fe2O3.

6Fe2O34Fe3O4 + О2

Осаждение и взвешивание. После прокаливания в течении 1 часа тигель тигельными щипцами осторожно вынимают из печи и ставят в эксикатор, который предварительно подносят к печи. Так как от раскаленного тигля воздух в эксикаторе нагревается и расширяется, нельзя сразу закрывать эксикатор крышкой (нагретый воздух может ее сбросить, и крышка разобьется). Поэтому закрыв эксикатор, несколько раз сдвигают крышку, чтобы выровнять давление внутри эксикатора с наружным. После охлаждения тигля с осадком приступают к взвешиванию. Прокаливание осадка и его взвешивание неоднократно повторяют, пока расхождение между последним и предыдущим взвешиванием не будет превышать 0,0001 г. Осадок взвешивают 3 раза.

5.6.Вычисления результатов анализа

I. Ход определения

1.Берут навеску FeCl3· 6Н2О.

2.Навеску растворяют в воде.

3.Осаждают Fe3±ионы в виде Fe (OH)3 10%-ным раствором NH4OH в присутствии 2 н. раствора HNO3:

FeCl3 +3NH4OH Fe (OH)3 +3NH4Cl

4.Осадок Fe (OH)3 отфильтровывают, промывают, подсушивают и прокаливают до постоянной массы.

II. Предварительные расчеты

1.Расчет навески а) Исходные данные: мол. масса FeCl3· 6Н2О 270,5 г; мол. масса Fe (OH)3 107г, масса осадка Fe (OH)3 0,1 г.

б) Расчет:

Fe (OH)3 FeCl3· 6Н2О

107 г — 270,5 г

0,1 г — Х г

x=270,5*0,1/107=0,74 г FeCl3· 6Н2О

2. Расчет объема растворителя Исходя из того, что при осаждении FeCl3 концентрации растворов должны быть невысокими, берем 150 мл воды.

3.Расчет объема осадителя Осадитель (10%-ный раствор NH4OH) добавляют небольшими порциями до ощущения слабого запаха аммиака.

III. Протокол анализа

1.Масса кальки (без навески) …0,16 165 г

2.Масса кальки с навеской…0,41 895 г

3.Масса навески…0,25 730 г

4.Масса пустого тигля…10,61 595 г

5.Масса тигля с осадком после прокаливания:1…10,69 235 г

2…10,69 240 г

3…10,69 245 г

6. Масса осадка:

1) 10,69 235−10,61 595=0,7 640 г Fe2O3

2) 10,69 240−10,61 595=0,7 645 г Fe2O3

3) 10,69 245−10,61 595=0,7 650 г Fe2O3

IV. Расчет результатов анализа

1. Fe2O3 2FeCl3· 6Н2О М® Fe2O3 = (56*2)+(16*3) = 160 г М® FeCl3· 6Н2О = 2*((56+(35,5*3)+(6*18))) = 541 г Составляем пропорцию:

1) 160 г Fe2O3 — 541 г FeCl3· 6Н2О

0,7 640 г Fe2O3 — Х г FeCl3· 6Н2О

y1=0,7 640*541/160=0,25 830 г FeCl3· 6Н2О

2) 160 г Fe2O3 — 541 г FeCl3· 6Н2О

0,7 645 г Fe2O3 — Х г FeCl3· 6Н2О

y2=0,7 645*541/160=0,25 850 г FeCl3· 6Н2О

3) 160 г Fe2O3 — 541 г FeCl3· 6Н2О

0,7 650 г Fe2O3 — Х г FeCl3· 6Н2О

y3=0,7 650*541/160=0,25 867 г FeCl3· 6Н2О

2. Находим количество Fe:

Fe FeCl3· 6Н2О М® Fe = 56 г М® FeCl3· 6Н2О = 56+(35,5*3)+(6*18) = 270,5 г Составляем пропорцию:

1) 56 г Fe — 270,5 г FeCl3· 6Н2О

x г Fe — 0,25 830 г FeCl3· 6Н2О

x1 =0,25 830*56/270,5=0,5 347 г Fe

2) 56 г Fe — 270,5 г FeCl3· 6Н2О

x г Fe — 0,25 850 г FeCl3· 6Н2О

x 2=0,25 850*56/270,5=0,5 352 г Fe

3) 56 г Fe — 270,5 г FeCl3· 6Н2О

x г Fe — 0,25 867 г FeCl3· 6Н2О

x3=0,25 867*56/270,5=0,5 355 г Fe

3. Статистическая обработка результатов анализа

x1=0,5 347

x2=0,5 352

x3=0,5 355

1.Находим среднее арифметическое значение :

= = = 0,5 351;

2.Дисперсию:

S2 = = =0,165· 10−8;

3. Среднюю квадратичную ошибку:

S = = = 0, 40 620· 10−4;

4.Среднюю квадратичную ошибку среднего арифметического:

= = = 0, 23 452· 10−4;

5.Находим коэффициент нормированного отклонения, k.

k = n-1

При б = 0,95 и k = 2 он равен 4,303;

6. Зная, k, находим вероятное квадратичное отклонение среднего арифметического:

=, k · = 4,303 * 0,23 452 · 10−4 = 1,009 · 10−4 = 0,0001;

7. Находим истинную массу железа по формуле интервального значения измеряемой величины:

а = ± = (0,5 351±0,0001) г Fe;

Ответ: m (Fe) = 0,5 351±0,0001 г;

Находим количество Fe в навеске в % - ах. Для этого составляем пропорцию:

0,25 730 г — 100%

0,5 351 г — x %

x = = 20, 8% Fe

8. В заключение находим относительную ошибку взвешивания, вычисленную с надежностью б = 0,95; она равняется:

± · 100 = · 100 = 0,187(%)

Заключение

Наиболее существенным достоинством гравиметрического метода является высокая точность анализа. Обычная погрешность гравиметрического определения составляет 0,1—0,2%. При анализе пробы сложного состава погрешность возрастает до нескольких процентов за счет несовершенства методов разделения и выделения анализируемого компонента. К числу достоинств гравиметрического метода относится также отсутствие каких-либо стандартизации или градуировок по стандартным образцам, необходимых почти в любом другом аналитическом методе. Для расчета результатов гравиметрического анализа требуется знание лишь молярных масс и стехиометрических соотношений.

Существенным недостатком гравиметрического метода является длительность определений. Это практически исключает применение гравиметрического анализа, например, для текущего технологического контроля производства и там, где быстрота выполнения анализа имеет решающее значение.

Чаще всего гравиметрический метод применяют для определения основных компонентов пробы, когда на выполнение анализа отводится несколько часов или десятков часов, для анализа эталонов, используемых в других методах, в арбитражном анализе, для установления состава минералов, различных веществ, включая синтезированные, состава различных композиций и т. д. Практическое применение гравиметрического метода остается очень широким.

1.Основы аналитической химии. Под редакцией академика Ю. А. Золотова. — М.: Высшая школа, 2002. Кн. 1, 2.

2.Основы аналитической химии. Практическое руководство. Под редакцией академика Ю. А. Золотова. — М.: Высшая школа, 2001. 463с.

3. Васильев В. П. Аналитическая химия. В 2-х ч. — Москва: Высшая школа, 1989. Ч.1. — 320 с.

4. Крешков А. П. Основы аналитической химии. В 3-х т. — М.: Химия, 1976. Т.2. — 376 с.

5. Алексеев В. Н. Количественный анализ. — М.: Химия, 1972. — 504 с.

6.Аналитическая химия. Проблемы и подходы. В 2-х т. Р. Кельнер, Ж. М. Мерме, М. Отто, Г. М. Видмер. Перевод под редакцией академика Ю. А. Золотова.-М.:-" Мир", 2004. Т.1. 600с.

7. Харитонов Ю. Я. Аналитическая химия. Аналитика. В 2-х кн. — М.: Высшая школа, 2001. Кн.1. — 615 с.