Метод количественного анализа гидроксида калия

Подобные расчеты можно проводить только для стехиометрических реакций ( см . СТЕХИОМЕТРИЯ ). Этот термин ввел в употребление в 1792 немецкий химик Иеремия Рихтер. Он произвел его от греческих слов, означающих «невидимый» и «измерение», что должно было означать соотношение «невидимых» химических элементов в реакциях. Рихтер впервые в истории химии начала использовать количественные уравнения реакций. Например, по его данным, из 2400 гранов CaCO ₃ при сильном прокаливании получается 1342 грана CaO, т. е. реакция разложения CaCO ₃ = CaO + CO ₂ характеризуется соотношением CaCO ₃ :CaO = 2400:1342 = 1,788, что удивительно хорошо согласуется с современным расчетом, который дает отношение 1,785.

Все реакции, которые используются в количественном анализе, обязательно должны быть стехиометрическими. Для этих реакций коэффициенты, стоящие перед формулами реагентов, показывают, в каких количественных соотношениях находятся реагенты и продукты. Например, соотношение реагентов в реакции окисления щавелевой кислоты перманганатом калия в кислой среде в точности соответствует уравнению

Поэтому эту реакцию можно использовать для точного определения концентрации перманганата в растворе, если известно количество израсходованной щавелевой кислоты (и наоборот). А вот рассчитать точно количество прореагировавшего с перманганатом калия алкена невозможно, так как эта реакция нестехиометрическая: при окислении из алкена образуется диол: R-CH=CH-R + 2[O] ® R-CH(OH)-CH(OH)-R, который может окисляться далее с разрывом углерод-углеродной связи и образованием двух молекул с карбонильной группой (кислоты или кетона). При этом разные опыты, даже проведенные в одинаковых условиях, дадут немного разное количество продуктов и их соотношение; в органической химии выход реакции очень редко бывает в точности равным 100,00%.

Чтобы анализ был точным, необходимо, помимо полного протекания реакции, чтобы реагент добавлялся к анализируемому веществу малыми порциями (например, по одной капле разбавленного раствора), а также чтобы можно было надежно определить момент, когда реакция закончилась. Для выполнения второго условия применяют различные индикаторы .

Индикаторы бывают самые разные. Рассмотрим реакцию питьевой соды с уксусом: NaHCO ₃ + CH ₃ COOH = CH ₃ COONa + CO ₂ + H ₂ O. Из этого уравнения следует, что 1 моль соды (84 г) полностью реагируют с 60 г уксусной кислоты. При этом выделяются пузырьки углекислого газа, которые и могут служить индикатором. Если к гидрокарбонату натрия известной массы добавлять по каплям уксус, пока не перестанет выделяться газ, то, измерив объем добавленного раствора и зная его плотность, легко рассчитать количество чистой уксусной кислоты в добавленном растворе и, следовательно, концентрацию уксуса. Например, если для полной реакции с 1,00 г соды потребовалось 10,5 г уксуса, то это значит, что в уксусе было 60/84 = 0,714 г чистой уксусной кислоты, а его крепость составляет (0,714/10,5)100% = 6,8%. При очень точных расчетах химики используют уточненные значения атомных масс элементов (в данном случае 84,01 для гидрокарбоната натрия и 60,05 для уксусной кислоты).

Конечно, описанный опыт по титрованию рассмотрен только для примера. Ведь газ выделяется далеко не во всех химических реакциях, да и заметить последний пузырек газа непросто, особенно если газ частично растворяется, а раствор имеет темную окраску. Поэтому обычно используют специальные индикаторы, изменение цвета которых свидетельствует о достижении конца реакции – так называемой точки эквивалентности.

Одни из самых распространенных индикаторов – кислотно-щелочные. Они применяются в тех случаях, когда в ходе титрования, т.е. постепенного добавления реагента к анализируемому раствору изменяется рН среды. Это происходит, например, если к анализируемому раствору щелочи добавляют раствор кислоты (или наоборот). Анализируемый раствор готовят по объему или по навеске (ее взвешивают на точных аналитических весах обычно до 0,1 мг), которую растворяют в мерной колбе точно известного объема (такие колбы могут иметь объем 10, 25, 50, 100, 200, 250, 500 или 1000 мл). Небольшой объем анализируемого раствора отбирают из мерной колбы с помощью специальных мерных пипеток (их объем также определен с высокой точностью и составляет обычно 10, 20, 25 и 50 мл) и помещают в коническую колбочку для титрования. В эту колбочку по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор реагента из бюретки до достижения точки эквивалентности.

Объем израсходованного раствора реагента измеряют по делениям бюретки; ее объем может быть равен 10, 25 или 50 мл, а цена деления – 0,1 мл. Существуют и микробюретки емкостью от 1 до 5 мл с ценой деления 0,01 мл. Раствор из бюретки с помощью краника добавляют по каплям к раствору анализируемого вещества. При этом титрование всегда повторяют несколько раз и берут усредненный результат – это повышает точность и надежность анализа. Если концентрацию растворов измерять в единицах моль/л, то по объему растворов анализируемого вещества и реагента можно сразу определить неизвестную концентрацию вещества. Например, если на титрование 25,00 мл раствора KOH пошло 12,5 5 мл раствора HCl с концентрацией 0,0865 моль/л (ее определяют заранее), то концентрация щелочи равна 0,0865(12,55/25,00) = 0,0432 моль/л. Понятно, что если для титрования использовали раствор серной кислоты, то необходимо учитывать стехиометрический коэффициент 2 в уравнении реакции 2KOH + H ₂ SO ₄ = K ₂ SO ₄ + 2H ₂ O. Химики-аналитики, чтобы учесть стехиометрические коэффициенты, обычно используют вместо молярности нормальность раствора. Так, 1 н. раствор H ₂ SO ₄ соответствует молярной концентрации 0,05 моль/л. Тогда произведение объема на нормальность раствора всегда будет одинаковым и для анализируемого вещества, и для реагента.

Кислотно-основных индикаторов известно множество (около 100), и каждый из них имеет свою область применения. Это можно показать на следующих примерах. При титровании сильной кислоты (HCl) сильной щелочью (NaOH) полная нейтрализация достигается, когда раствор, содержащий NaCl, нейтрален (рН = 7). В этом случае можно пользоваться такими индикаторами как нитразиновый желтый (окраска изменяется от желтой до сине-фиолетовой в интервале рН 6,0 – 7,0) или бромтимоловый синий, имеющий сходные характеристики. При титровании сильной кислоты сильной щелочью (или наоборот) изменение рН в точке эквивалентности бывает настолько резким, что можно использовать и многие другие индикаторы. Например, в указанном примере при концентрациях реагентов 0,1 моль/л после добавления 99,9% всей щелочи рН раствора равен 4, а после добавления 0,1% избытка щелочи рН = 10. Такое резкое изменение рН при титровании может быть вызвано всего 1–2 каплями реактива. Поэтому не будет ошибкой в данном случае воспользоваться и такими индикаторами как метиловый оранжевый (окраска изменяется от красной при рН 3,1 до оранжево-желтой при рН 4) или хорошо известным фенолфталеином (окраска изменяется от бесцветной при рН 8,2 до малиново-красной при рН 10,0).

Если же титровать раствором NaOH слабую кислоту, например, уксусную, то в конце титрования после полной нейтрализации кислоты раствор содержит ацетат натрия CH ₃ COONa, который, вследствие гидролиза, имеет щелочную реакцию (рН около 9). В этом случае уже нельзя пользоваться метиловым оранжевым, но можно – фенолфталеином. С другой стороны, при титровании слабой щелочи (например, раствора аммиака) сильной кислотой (HCl) в точке эквивалентности в растворе присутствует NH ₄ Cl, который из-за гидролиза имеет кислую реакцию (рН около 5), и здесь можно использовать метиловый оранжевый и нельзя – фенолфталеин.

Особый случай – выбор индикатора при титровании многоосновных кислот (например, Н ₃ РО ₄ ), а также смесей веществ. Так, растворы NaOH обычно содержат примесь карбоната из-за реакции с углекислым газом воздуха. Если титровать раствор NaOH, содержащий Na ₂ CO ₃ , сильной кислотой в присутствии фенолфталеина, то раствор обесцветится, когда будет нейтрализована вся щелочь и частично – карбонат (это произойдет при рН около 8,5) в соответствии с уравнением

NaOH + Na ₂ CO ₃ + 2HCl = 2NaCl + NaHCO ₃ + H ₂ O.

Если к такому раствору добавить метиловый оранжевый и продолжать титрование, то желтая окраска перейдет в розовую, когда прореагирует весь гидрокарбонат (этому соответствует рН около 3,5): NaHCO ₃ + HCl = NaCl + H ₂ CO ₃ .

Таким образом, используя два кислотно-основных индикатора, можно рассчитать по отдельности содержание щелочи и карбоната в образце.

Если в ходе титрования протекает реакция окисления – восстановления, используются специальные индикаторы, изменяющие свой цвет в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала раствора. Часто окрашенный реагент сам может служить индикатором. например, при количественном анализе восстановителей путем их титрования раствором KMnO ₄ , точка эквивалентности определяется по исчезновению розовой окраски перманганата. Таким образом можно, например, определить содержание в растворе железа(II) в соответствии с уравнением 10F eSO ₄ + 2KMnO ₄ + 8H ₂ SO ₄ = 5Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ + 2MnSO ₄ + K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O. Пока в растворе присутствуют ионы Fe2+, добавляемый KMnO ₄ обесцвечивается. Как только появится малейший избыток перманганата, раствор приобретает розовую окраску. Так можно анализировать различные восстановители.

Более того, с помощью перманганатометрии можно проводить анализ и окислителей! Для этого используют так называемое обратное титрование. Для этого к известному объему окислителя (например, дихромата калия) добавляют в избытке известное количество восстановителя – железа(II). Реакция K ₂ Cr ₂ O7 + 6FeSO ₄ + 7H ₂ SO ₄ = Cr ₂ (SO ₄ ) ₃ + 3Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ + K ₂ SO ₄ + 7H ₂ O проходит очень быстро . Затем с помощью титрования перманганатом определяют, сколько осталось железа(II) и простым вычитанием рассчитывают, сколько его израсходовалось в первой реакции с дихроматом.

Другой распространенный метод с использованием окислительно-восстановительных реакций – иодометрия ( см . ИОД ) Он применяют, например, для определения окислителей, которые, реагируя с иодидом калия, окисляют его до свободного иода, например: 10KI + 2KMnO ₄ + 8H ₂ SO ₄ = 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O. Здесь также используют принцип обратного титрования: количество выделившегося в первой реакции иода можно определяют, используя его реакцию с тиосульфатом натрия: I ₂ + 2Na ₂ S ₂ O ₃ = Na ₂ S ₄ O ₆ + 2NaI. Конец этой реакции определяют по исчезновению окраски иода. Однако когда иода в растворе остается мало, его бледно-желтая окраска почти не видна и трудно заметить момент, когда раствор обесцвечивается полностью. Чтобы повысить точность титрования, ближе к его концу к раствору добавляют немного крахмального раствора: малейшие следы иода окрашивают его в синий цвет. Следовательно, исчезновение синей окраски свидетельствует о том, что реакция прошла полностью. Химики обычно используют очень разбавленные растворы тиосульфата (например, 0,01 моль/л), что значительно повышает точность анализа, поскольку большие объемы раствора измеряются более точно.

Иод очень легко и быстро окисляет аскорбиновую кислоту (витамин С). Поэтому с помощью иодометрического анализа можно даже в домашних условиях определить (конечно, без особой точности) содержание этого витамина, например, в апельсиновом соке. (Применять здесь кислотно-основное титрование нельзя, так как в соке в значительно бoльших количествах содержатся другие органические кислоты – лимонная, яблочная, винная и другие.) Анализ основан на том, что 1 моль аскорбиновой кислоты (176 г) реагирует с 1 моль иода (254 г). Для титрования можно использовать аптечную иодную настойку, считая, что иод не выдохся и она точно 5%-ная (это соответствует концентрации около 0,2 моль/л). Количество израсходованного иода можно оценить с помощью обычной пипетки – по числу капель настойки, использованной в реакции. Так как аскорбиновой кислоты в соке обычно не очень много, на титрование его порции (например, 20 мл) может пойти всего 1–2 капли настойки, что приведет к очень большой ошибке анализа. Чтобы результат был более точным, надо либо взять много сока, либо разбавить иодную настойку; в обоих случаях число капель иода, израсходованных на титрование, увеличится, что и сделает анализ точнее. Химики предпочитают второй путь.

Если настойку разбавить кипяченой водой (химики пользуются дистиллированной) в 40 раз, то концентрация такого раствора будет около 0,005 моль/л; 1,0 мл такого раствора соответствует 0,88 мг аскорбиновой кислоты. Необходимо также определить объем капли (он зависит от типа пипетки, а также от конкретного раствора). Для этого надо с помощью медицинского шприца на 1 или 2 мл отмерить 1 мл разбавленного раствора иода, а затем посчитать, сколько в этом объеме содержится капель (это займет всего несколько минут). Методику желательно отработать вначале на стандартном растворе аскорбиновой кислоты. Его можно приготовить из таблетки с известным содержанием аскорбиновой кислоты – например, 0,1 или 0,5 г. Таблетку надо растворить в 0,5 л кипяченой воды и отобрать с помощью аптечной мензурки 25 мл этого раствора (витамина в нем будет в 20 раз меньше, чем в таблетке). К этому раствору и добавляют разбавленную иодную настойку, не забывая в конце добавить немного жидкого крахмального клейстера. И если, например, на титрование 25 мл раствора пошло 6,0 мл раствора иода, то аскорбиновой кислоты в растворе было 0,88.6 = 5,28 мг, а в исходной таблетке – в 20 раз больше , т.е. 105,6 мг. Такая небольшая ошибка свидетельствует о правильности «домашнего» анализа.

Химики, конечно, не капают из пипетки, а используют точные бюретки с делениями. Кроме того, они часто не готовят даже сами стандартные растворы, а пользуются фабричными; такие растворы в запаянных ампулах называются фиксаналами – они содержат фиксированное количество реагента (обычно 0,1 моль) для точного определения концентрации рабочего раствора. Фиксаналами служат, например, растворы KMnO ₄ , K ₂ Cr ₂ O ₇ , NaCl, H ₂ C ₂ O ₄ , HCl, AgNO ₃ , NaOH и др.

Широкое распространение получили комплексонометрические индикаторы – вещества, образующие с ионами некоторых металлов (многие из которых бесцветны) окрашенные комплексные соединения. Примером может служить эриохром черный Т; раствор этого сложного органического соединения имеет синий цвет, а в присутствии ионов магния, кальция и некоторых других образуются комплексы, окрашенные в интенсивный винно-красный цвет. Анализ ведут так: к раствору, содержащему анализируемые катионы и индикатор, добавляют по каплям более сильный, по сравнению с индикатором, комплексообразователь, чаще всего – трилон Б. Как только трилон полностью свяжет все катионы металлов, произойдет отчетливый переход от красного цвета к синему. По количеству добавленного трилона легко вычислить содержание катионов металла в растворе. С помощью комплексонометрического анализа определяют, например, общую жесткость воды.

Существуют методы титрования, основанные на образовании осадка. Так, с помощью аргентометрии можно определить содержание в растворе хлоридов и бромидов. Для этого раствор титруют раствором AgNO ₃ . Для более четкого установления точки эквивалентности, в анализируемый раствор добавляют 1–2 капли раствора K ₂ Cr ₂ O ₄ . Пока в растворе есть избыток галогенид-ионов, образуются менее растворимые AgCl или AgBr. После полного осаждения этих ионов, сразу появится красноватый осадок Ag ₂ CrO ₄ . Если же надо определить ионы серебра в растворе, его титруют раствором NaCl.

Описанные приемы далеко не исчерпали существующие методы титрования. Широкое распространение получили также методы, в которых за ходом титрования следят с помощью приборов. Например, при кондуктометрическом анализе (от англ. conductivity – электропроводность) измеряют электропроводность раствора, которая меняется в ходе титрования. При потенциометрическом методе измеряют потенциал электрода, погруженного в анализируемый раствор. Фотометрический анализ основан на измерении поглощения света при изменении интенсивности окраски раствора. Разработаны приборы, которые не только определяют точку эквивалентности, но и сами автоматически добавляют по каплям рабочий раствор к анализируемому и выдают готовый результат анализа.

Титрование как метод анализа отличается простотой методики и аппаратуры, а также высокой точностью: с помощью титрования нетрудно определить концентрацию вещества в растворе с точностью до 0,1%. Поэтому титриметрические методы широко применяются в научных исследованиях и при контроле технологических процессов на производстве. Так, при изучении кинетики реакции определяют уменьшение со временем концентрации исходного реагента или рост концентрации продукта реакции; таким способом, например, были выполнены классические работы по механизму реакций замещения в органических соединениях. В промышленности широко используются титраторы – приборы для автоматического выполнения титриметрических анализов. Они очень удобны для проведения массовых однотипных анализов (например, для определения состава сплава в процессе его выплавки или содержания в нем вредных примесей). Такие приборы способны долго работать в отсутствие лаборанта, автоматически отбирать пробы и выдавать результаты анализа. Это особенно важно при необходимости работы с радиоактивными, ядовитыми или взрывчатыми веществами, в запыленных помещениях и т.п.

А.Гуляницкий. Реакции кислот и оснований в аналитической химии . М., Мир, 1975
Е.Браун, Г.Ю. Лелий. Химия – в центре наук . М., Мир, 1983

источник

Количественный анализ выражается последовательностью экспериментальных методов, определяющих в образце исследуемого материала содержание (концентрации) отдельных составляющих и примесей. Его задача – определить количественное соотношение химсоединений, ионов, элементов, составляющих образцы исследуемых веществ.

Качественный и количественный анализ являются разделами аналитической химии. В частности, последний решает различные вопросы современной науки и производства. Этой методикой определяют оптимальные условия проведения химико-технологических процессов, контролируют качество сырья, степень чистоты готовой продукции, в том числе и лекарственных препаратов, устанавливают содержание компонентов в смесях, связь между свойствами веществ.

Методы количественного анализа подразделяют на:

• физические;
• химические (классические);
• физико-химические.

Базируется на применении различных видов реакций, количественно происходящих в растворах, газах, телах и т. д. Количественный химический анализ подразделяют на:

• Гравиметрический (весовой). Заключается в точном (строгом) определении массы анализируемого компонента в исследуемом веществе.
• Титриметрический (объемный). Количественный состав исследуемой пробы определяют путем строгих измерений объема реагента известной концентрации (титранта), который взаимодействует в эквивалентных количествах с определяемым веществом.
• Газовый анализ. Базируется на измерении объема газа, который образуется или поглощается в результате химической реакции.

Химический количественный анализ веществ считается классическим. Это наиболее разработанный метод анализа, который продолжает развиваться. Он точен, прост в исполнении, не требует спецаппаратуры. Но применение его иногда сопряжено с некоторыми трудностями при исследовании сложных смесей и сравнительно небольшой чертой чувствительности.

Это количественный анализ, базирующийся на измерении величин физических параметров исследуемых веществ или растворов, которые являются функцией их количественного состава. Подразделяется на:

• Рефрактометрию (измерение величин показателя преломления).
• Поляриметрию (измерение величин оптического вращения).
• Флуориметрию (определение интенсивности флуоресценции) и другие

Физическим методам присущи экспрессность, низкий предел определения, объективность результатов, возможность автоматизации процесса. Но они не всегда специфичны, так как на физическую величину влияет не только концентрация исследуемого вещества, но и присутствие других веществ и примесей. Их применение часто требует использования сложной аппаратуры.

Задачи количественного анализа – измерение величин физических параметров исследуемой системы, которые появляются или изменяются в результате проведения химических реакций. Эти методы характеризуются низким пределом обнаружения и скоростью исполнения, требуют применения определенных приборов.

Это старейшая и наиболее разработанная технология количественного анализа. По сути, аналитическая химия началась с гравиметрии. Комплекс действий позволяет точно измерять массу определяемого компонента, отделенного от других компонентов проверяемой системы в постоянной форме химического элемента.

Гравиметрия является фармакопейным методом, который отличается высокой точностью и воспроизводимостью результатов, простотой исполнения, однако трудоемок. Включает приемы:

• осаждения;
• отгонки;
• выделения;
• электрогравиметрию;
• термогравиметрические методы.

Количественный анализ осаждения основан на химической реакции определяемого компонента с реагентом-осадителем с образованием малорастворимого соединения, которое отделяют, затем промывают и прокаливают (высушивают). На финише выделенный компонент взвешивают.

Например, при гравиметрическом определении ионов Ва 2+ в растворах солей как осадитель используют серную кислоту. В результате реакции образуется белый кристаллический осадок BaSO₄ (осажденная форма). После прожарки этого осадка формируется так называемая гравиметрическая форма, полностью совпадающая с осажденной формой.

При определении ионов Са 2+ осадителем может быть оксалатная кислота. После аналитической обработки осадка осажденная форма (СаС₂О₄) превращается в гравиметрическую форму (СаО). Таким образом, осажденная форма может как совпадать, так и отличаться от гравиметрической формы по химической формуле.

Аналитическая химия требует высокоточных измерений. В гравиметрическом методе анализа используют особо точные весы как основной прибор.

• Взвешивания при требуемой точности ±0,01 г проводят на аптечных (ручных) или технохимических весах.
• Взвешивания при требуемой точности ±0,0001 г осуществляют на аналитических весах.
• При точности ±0,00001 г – на микротерезах.

Осуществляя количественный анализ, определение массы вещества на технохимических или технических весах проводят следующим образом: исследуемый предмет помещают на левую чашу весов, а уравновешивающие грузики – на правую. Процесс взвешивания заканчивают при установлении стрелки весов в среднем положении.

В процессе взвешивания на аптечных весах центральное кольцо удерживают левой рукой, локтем опираясь на лабораторный стол. Затухание коромысла во время взвешивания может быть ускорено легким прикосновением дна чаши весов к поверхности стола.

Аналитические весы монтируют в отдельных отведенных лабораторных помещениях (весовых комнатах) на специальных монолитных полках-подставках. Для предотвращения влияния колебаний воздуха, пыли и влаги весы защищают специальными стеклянными футлярами. Во время работы с аналитическими весами следует придерживаться следующих требований и правил:

• перед каждым взвешиванием проверяют состояние весов и устанавливают нулевую точку;
• взвешиваемые вещества помещают в тару (бюкс, часовое стекло, тигель, пробирку);
• температуру веществ, подлежащих взвешиванию, доводят до температуры весов в весовой комнате в течение 20 минут;
• весы не следует нагружать сверх установленных предельных нагрузок.

Гравиметрический качественный и количественный анализ включают следующие этапы:

• расчета масс навески анализируемой пробы и объема осадителя;
• взвешивания и растворения навески;
• осаждения (получение осажденной формы определяемого компонента);
• удаления осадков из маточного раствора;
• промывания осадка;
• высушивания или прокаливания осадка до постоянной массы;
• взвешивания гравиметрической формы;
• вычисления результатов анализа.

При выборе осадителя – основы количественного анализа – учитывают возможное содержание анализируемого компонента в пробе. Для увеличения полноты удаления осадка используют умеренный избыток осадителя. Используемый осадитель должен обладать:

• специфичностью, селективностью относительно определяемого иона;
• летучестью, легко удаляться при высушивании или прокаливании гравиметрической формы.

Среди неорганических осадителей наиболее распространены растворы: HCL; Н₂SO₄; H₃PO₄; NaOH; AgNO₃; BaCL₂ и другие. Среди органических осадителей предпочтение отдается растворам диацетилдиоксима, 8-гидроксихинолина, оксалатной кислоте и другим, образующим с ионами металлов внутрикомплексные устойчивые соединения, обладающие преимуществами:

• Комплексные соединения с металлами, как правило, имеют незначительную растворимость в воде, обеспечивая полноту осаждения ионов металла.
• Адсорбционная способность внутрикомплексных осадков (молекулярная кристаллическая решетка) ниже адсорбционной способности неорганических осадков с ионным строением, что дает возможность получить чистый осадок.
• Возможность селективного или специфического осаждения ионов металла в присутствии других катионов.
• Благодаря относительно большой молекулярной массе гравиметрических форм уменьшается относительная ошибка определения (в противовес использованию неорганических осадителей с небольшой молярной массой).

Это важнейший этап характеристики количественного анализа. При получении осажденной формы необходимо минимизировать расходы за счет растворимости осадка в маточном растворе, уменьшить процессы адсорбции, окклюзии, соосаждения. Требуется получить достаточно крупные частицы осадка, не проходящие через фильтрационные поры.

Требования к осажденной форме:

• Компонент, который определяют, должен количественно переходить в осадок и соответствовать значению Ks≥10 -8 .
• Осадок не должен содержать посторонних примесей и быть устойчивым относительно внешней среды.
• Осажденная форма должна как можно полнее превращаться в гравиметрическую при высушивании или прокаливании исследуемого вещества.
• Агрегатное состояние осадка должно соответствовать условиям его фильтрации и промывки.
• Предпочтение отдают кристаллическим осадком, содержащим крупные частицы, имеющим меньшую абсорбционную способность. Они легче фильтруются, не забивая поры фильтра.

Условия получения оптимального кристаллического осадка:

• Осаждения проводят в разбавленном растворе исследуемого вещества разведенным раствором осадителя.
• Добавляют раствор осадителя медленно, каплями, при осторожном перемешивании.
• Осаждения проводят в горячем растворе исследуемого вещества горячим растворителем.
• Иногда осаждения проводят при наличии соединений (например, небольшого количества кислоты), которые незначительно повышают растворимость осадка, но не образуют с ним растворимых комплексных соединений.
• Осадок оставляют в исходном растворе на некоторое время, в течение которого происходит «вызревание осадка».
• В случаях, когда осажденная форма образуется в виде аморфного осадка, его пытаются получить гуще для упрощения фильтрации.

Условия получения оптимального аморфного осадка:

• К горячему концентрированному раствору исследуемого вещества добавляют концентрированный горячий раствор осадителя, что способствует коагуляции частиц. Осадок становится гуще.
• Добавляют осадитель быстро.
• При необходимости в исследуемый раствор вводят коагулянт – электролит.

Методы количественного анализа включают такой важный этап, как фильтрация. Фильтрование и промывание осадков проводят, используя или стеклянные фильтры, или бумажные, не содержащие золы. Бумажные фильтры различны по плотности и размерам пор. Плотные фильтры маркируются голубой лентой, менее плотные – черной и красной. Диаметр бумажных фильтров, не содержащих золы, 6-11 см. Перед фильтрацией сливают прозрачный раствор, находящийся над осадком.

Количественный анализ может осуществляться методом электрогравиметрии. Исследуемый препарат удаляют (чаще всего из растворов) в процессе электролиза на одном из электродов. После окончания реакции электрод промывают, высушивают и взвешивают. По увеличению массы электрода определяют массу вещества, образовавшегося на электроде. Так анализируют сплав золота и меди. После отделения золота в растворе определяют ионы меди, скапливаемые на электроде.

Осуществляется измерением массы вещества во время его непрерывного нагрева в определенном интервале температур. Изменения фиксируются специальным устройством – дериватографом. Оно оборудовано термотерезами непрерывного взвешивания, электрической печью для нагрева исследуемого образца, термопарой для измерения температур, эталоном и самописцем непрерывного действия. Изменение массы образца автоматически фиксируется в виде термогравиграмы (дериватограмы) – кривой изменения массы, построенной в координатах:

• время (или температура);
• потеря массы.

Результаты количественного анализа должны быть точными, правильными и воспроизводимыми. С этой целью используют соответствующие аналитические реакции или физические свойства вещества, правильно выполняют все аналитические операции и применяют надежные способы измерения результатов анализа. Во время выполнения любого количественного определения обязательно должна проводиться оценка достоверности результатов.

источник

Тема 2.1. Методы количественного анализа

Понятие, сущность, методы количественного анализа. Точность вычислений в количественном анализе.

Тема 2.2. Гравиметрический (весовой) метод анализа

Аналитические и технохимические весы и правила взвешивания на них. Операции весового анализа: подготовка вещества к анализу, взятие и растворение навески, высушивание и прокаливание осадка. Посуда и оборудование весового метода анализа. Вычисления в весовом анализе.

Определение кристаллизационной воды в кристаллогидратах хлорида бария.

Тема 2.3. Объемный метод анализа. Метод нейтрализации. Теория индикаторов

Сущность и методы объемного анализа. Способы выражения концентрации растворов (нормальная концентрация, титр, титр по определяемому веществу) и вычисления в объемном анализе.

Титрование, титрованные растворы. Измерительная посуда объемного анализа и ее назначение.

Сущность метода нейтрализации, его индикаторы; интервал перехода индикатора, показатель титрования; выбор индикатора, кривые титрования.

Способы приготовления стандартных растворов.

1. Приготовление рабочего раствора щелочи и стандартного раствора щавелевой кислоты. Определение нормальности и титра раствора щелочи.

2.Контрольная работа: Определение содержания серной кислоты в растворе.

Выполнение расчетов в объемном анализе.

Тема 2.4. Метод окисления — восстановления.

Сущность окислительно-восстановительных методов и их значение в проведении химико-технологического контроля. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций, расстановка коэффициентов методом электронного баланса. Эквиваленты окислителей и восстановителей, их определение и использование в расчетных задачах.

Перманганатометрия и ее сущность. Иодометрия и ее сущность.

1. Приготовление рабочего раствора перманганата калия и установление нормальной концентрации и титра по щавелевой кислоте.

2. Контрольная задача: Определение содержания железа в соли Мора.

Тема 2.5. Методы осаждения и комплексообразования

Сущность методов осаждения. Аргентометрия (метод Мора), условия применения метода и его значение в проведении химико-технологического контроля.

Сущность метода комплексообразования и его значение в осуществлении химико-технологического контроля.

1. Определение содержания хлорида натрия в растворе.

2. Определение общей жесткости воды.

Тема 2.6. Физико-химические методы анализа.

Сущность физико-химического метода анализа и их особенности; применение этих методов в химико-технологическом контроле.

Сущность и значение колориметрического метода; сущность и общая характеристика методов стандартных серий и калибровочного графика. Приборы колориметрического метода анализа.

Определение меди и никеля в растворе колориметрическим методом.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕШЕНИЮ

ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Тема: Диссоциация воды. Водородный показатель

I. Вычислите [ОН — ], определите рН раствора и характер среды, если [Н + ] равна 1 ∙ 10 -4 моль/л.

Дано: Решение:

[Н + ] = 1 ∙ 10 -4 моль/л 1. Напишем выражение ионного произведения воды:

[ОН — ] = ? [Н + ] ∙ [ОН — ] = 1 ∙ 10 -14

рН = — lg [Н + ] = — lg (1 ∙ 10 -4 ) = 4

Ответ: [ОН — ] = 1 ∙ 10 -10 моль/л

рН = 4, раствор имеет кислую среду.

II. Вычислите [Н + ], определите рН 0,05 н. раствора HCl.

Сн_.(HCl) = 0,05 н. 1. Составим уравнение диссоциации раствора HCl:

HCl ↔ Н + + Cl —

[ОН — ] = ? 1 моль 1 моль 1 моль

рН = ? 2. Находим [Н + ], т.к. при диссоциации 1 моль HCl образуется

1 моль Н + , то концентрация ионов Н + равна:

рН = — lg [Н + ] = — lg (5 ∙ 10 -2 ) = — (lg 5+ lg 10 -2 ) = — (0,699 + 2) = 1,3

Ответ: [Н + ] = 5 ∙ 10 -2 моль/л; рН = 1,3, среда раствора кислая.

Тема 1.2. Вторая аналитическая группа катионов. Произведение растворимости.

I. Растворимость Ag₂CO₃ при 200С равна 3,17 ∙ 10 -2 г/л. Вычислите ПР Ag₂CO₃.

Р (Ag₂CO₃) = 3,17 ∙ 10 -2 г/л 1. Напишем уравнение диссоциации Ag₂CO₃:

Ag₂CO₃ ↔ 2Ag + + CO₃ 2-

ПР Ag₂CO₃ = ? 1 моль 2 моль 1 моль

2. Вычислим молекулярную массу Ag₂CO₃

3. Вычислим молярную концентрацию насыщенного раствора Ag₂CO₃ по формуле:

4. Определим концентрации Ag + и CO₃ 2- в растворе:

Из уравнения диссоциации следует, что при диссоциации 1 моль Ag₂CO₃ образуется 2 моль ионов Ag + и 1 моль ионов CO₃ 2- , т.е.

[Ag + ] = 2 ∙ 1,15 ∙ 10 -4 = 2,3 ∙ 10 -4 (моль/л)

5. Вычислим произведение растворимости Ag₂CO₃:

ПР (Ag₂CO₃) = [Ag + ] 2 ∙ [CO₃ 2- ] = (2,3 ∙ 10 -4 ) 2 ∙ 1,15 ∙ 10 -4 = 6,08 ∙ 10 -12

Ответ: ПР Ag₂CO₃ = 6,08 ∙ 10 -12

II. Вычислить растворимость BaSO₄ при 25 0 С (в моль/л и г/л), если ПР BaSO₄ = 1,1 ∙ 10 -10 .

ПР BaSO₄ = 1,1 ∙ 10 -10 1. Напишем уравнение диссоциации BaSO₄:

BaSO₄ ↔ Ba 2+ + SO₄ 2-

Р BaSO₄ (в г/л) = ? 2. Обозначим концентрацию BaSO₄ через х (моль/л), тогда [Ba 2+ ] = х моль/л; [SO₄ 2- ] = х моль/л., т.е. концентрации этих ионов в растворе равны.

3. Вычислим растворимость BaSO₄ в моль/л (См):

ПР BaSO₄ = [Ba 2+ ] ∙ [SO₄ 2- ] = 1,1 ∙ 10 -10

Подставим в это выражение значение концентраций ионов в растворе:

х ∙ х = 1,1 ∙ 10 -10 или х 2 = 1,1 ∙ 10 -10 (моль/л), отсюда

х = √ 1,1 ∙ 10 -10 = 1,05 ∙ 10 -5 (моль/л)

4. Вычислим молекулярную массу BaSO₄:

М BaSO₄ = 137 + 32 + 16∙4 = 233 (г/моль)

5. Вычислим растворимость BaSO₄ в г/л, используя формулу m = См ∙ М ∙ V

m (BaSO₄) = 1,05 ∙ 10 -5 ∙ 233 ∙ 1 = 2,45 ∙ 10 -5 (г/л)

Ответ: Р BaSO₄ (в моль/л) = 1,05 ∙ 10 -5 моль/л (См);

Р BaSO₄ (в г/л) = 2,45 ∙ 10 -5 г/л (m в 1 л).

Тема 2.3. Объемный метод анализа.

I. Какую массу навески фосфорной кислоты H₃PO₄ необходимо взять для приготовления 2 л 0,06 н. раствора H₃PO₄?

Дано: Решение:

g H₃PO₄ = ? Мr H₃PO₄ = 1∙3 + 31 + 16∙4 = 98 (г/моль)

2. Вычислим количество вещества эквивалентов H₃PO₄, содержащееся в 2 л раствора?

В 1 л раствора – 0,06 моль экв. H₃PO₄

В 2 л раствора – х моль экв. H₃PO₄

В 2 л 0,06 н. раствора содержится 0,12 моль H₃PO₄

3. Вычислим массу навески H₃PO₄:

1 моль эквивалентов H₃PO₄ составляет 32, 7 г

0,12 моль эквивалентов H₃PO₄ — х г

Массу навески также можно рассчитать по формуле:

Ответ: масса навески H₃PO₄ равна 3,92 г.

II. В 250 мл раствора содержится 6 г карбоната калия K₂CO₃. Вычислите нормальную концентрацию раствора K₂CO₃.

V K₂CO₃ = 250 мл 1. Вычислим молярную массу (М K₂CO₃= Мr K₂CO₃) и

Мr K₂CO₃ = 39∙2 + 12 + 16∙3 = 138 (г/моль)

2. Вычислим массу K₂CO₃, содержащуюся в 1 л раствора:

В 250 мл содержится 6 г K₂CO₃

В 1000 мл раствора содержится 24 г K₂CO₃

3. Вычислим нормальную концентрацию раствора K₂CO₃:

1 моль эквивалентов K₂CO₃ составляет 69 г

х моль эквивалентов K₂CO₃ составляет 24 г

х =

в 1 л раствора содержится 0,35 моль эквивалентов K₂CO₃. Нормальную концентрацию раствора можно, также вычислить по формуле, приведенной в примере I.

III. Вычислите титр раствора, если в 25,00 мл содержится 0,5 г NaOH.

Дано: Решение:

VNaOH = 25,00 мл Титр раствора находим по формуле:

T = —— = ——- = 0,02 (г/мл)

IV. Вычислите нормальную концентрацию раствора H₂SO₄, если на нейтрализацию 24,50 мл его израсходовано 23,00 мл 0,15 н.раствора КОН.

Дано: Решение:

V H₂SO₄ = 24,50 мл 1. Составим уравнение реакции нейтрализации:

2. Вычислим нормальную концентрацию H₂SO₄:

N H₂SO₄ = ? на основании закона эквивалентов:

V. Навеска Ba(OH)₂ растворена в мерной колбе на 250,00 мл. Объем раствора доведен до метки. На титрование 25,00 мл полученного раствора израсходовано 23,00 мл 0,09908 н. раствора HCl. Вычислите, сколько граммов Ba(OH)₂ содержится в навеске.

V р-ра = 250,00 мл 1. Составим уравнение реакции нейтрализации:

V HCl = 23,00 мл 2. Вычислим нормальную концентрацию раствора

N HCl = 0,09908 н. Ba(OH)₂, используя закон эквивалентов:

g HCl= ? N HCl ∙ V HCl 0,09908 ∙ 23,00

3. Вычислим молярную массу (М Ba(OH)₂= Мr Ba(OH)₂) и эквивалентную массу Ba(OH)₂ (Мэ Ba(OH)₂):

Мr Ba(OH)₂ = 137 + (16 + 1) ∙ 2 = 171 (г/моль)

Мэ Ba(OH)₂ = Мr Ba(OH)₂ /2 = 171/2 = 85,5 (г/моль)

4. Вычислим навеску Ba(OH)₂ по формуле:

VI. На титрование 0,2650 г щавелевой кислоты H₂C₂O₄ ∙ 2 H₂O, растворенной в произвольном объеме воды, израсходовано 49,20 мл раствора щелочи NaOH. Определите нормальную концентрацию и титр раствора NaOH.

g H₂C₂O₄ ∙ 2 H₂O = 0,2650 г 1. Составим уравнение реакции полной

V NaOH=49,20 мл нейтрализации:

2 NaOH + H₂C₂O₄ = Na₂C₂O₄ + 4 H₂O

Т NaOH = ? 2. Вычислим молярную массу (М NaOH =

Мr NaOH = 23 + 16 + 1 = 40 (г/моль)

Мэ NaOH = Мr NaOH /1 = 40 (г/моль)

3. Вычислим массу NaOH содержащуюся в 49,20 мл раствора:

По уравнению реакции масса 1 моль H₂C₂O₄ ∙ 2 H₂O эквивалентна массе 2 моль NaOH, а навеска 0,2650 г H₂C₂O₄ ∙ 2 H₂O эквивалентна массе NaOH , содержащегося в 49,20 мл раствора NaOH. Составим пропорцию:

2 ∙ 40 г NaOH соответствует 126 г H₂C₂O₄ ∙ 2 H₂O

В 49,20 мл раствора NaOH содержится 0,17 г.

4. Вычислим титр раствора NaOH:

5. Вычислим нормальную концентрацию раствора NaOH, используя формулу: Т ∙ 1000 0,0034 ∙ 1000

VII. Вычислите Т HCl по NaOH, если нормальная концентрация раствора HCl равна 0,1105 н.

N HCl = 0,1105 н. 1. Составим уравнение реакции полной нейтрализации:

NaOH + HCl = NaCl + H₂О

Т HCl/NaOH = ? 1 моль 1 моль

2. Вычислим молярную массу (М NaOH = Мr NaOH)

и эквивалентную массу NaОН (Мэ NaOH):

Мr NaOH = 23 + 16 + 1 = 40 (г/моль)

Мэ NaOH = Мr NaOH /1 = 40 (г/моль)

3. Выражение Т HCl/NaOH показывает, сколько граммов NaOH соответствует 1 мл раствора HCl данной концентрации. Раствор HCl содержит в 1000 мл 0,1105 моль эквивалентов соляной кислоты. Следовательно, в 1 мл НСl содержится 0,1105/1000 моль эквивалентов HCl, которое взаимодействует с таким же количеством моль эквивалентов NaOH.

4. Приведем формулу расчета:

Ответ: Т HCl/NaOH = 0,00442 г/мл

ВЫБОР ВАРИАНТА КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ:

Вариант контрольной работы определяется по таблице в зависимости от двух последних цифр шифра (номера зачетной книжки) студента.

В таблице по горизонтали Б размещаются цифры от 0 до 9, каждая из которых последняя цифра шифра студента. По вертикали А также размещены цифры от 0 до 9, каждая из которых – предпоследняя цифра шифра. Пересечение горизонтальной и вертикальной линий определяет клетку с номерами вопросов контрольной работы студента. Например, шифр студента 3225. Последние две цифры 25 определяют вариант контрольной работы. Пересечение 2-й строки по вертикали А и 5-й по горизонтали Б определяет клетку варианта с вопросами.

Будьте внимательны при выборе варианта контрольной работы!

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9005 — | 7248 — или читать все.

193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник

Количественный анализ — это. Определение, понятие, химические методы анализа, методика и формула расчетов

Количественный анализ — это большой раздел аналитической химии, позволяющий определить количественный (молекулярный или элементный) состав объекта. Количественный анализ получил широкое распространение. Он применяется для определения состава руд (для оценки степени их очистки), состава почв, растительных объектов. В экологии методами количественного анализа устанавливают содержание токсинов в воде, воздухе, почве. В медицине с его помощью выявляют подделки лекарств.

Основная задача количественного анализа — установление количественного (процентного или молекулярного) состава веществ.

В зависимости от того, каким путем решается эта задача, выделяют несколько методов количественного анализа. Их существует три группы:

Первые базируются на измерении физических свойств веществ – радиоактивности, вязкости, плотности и др. Самые распространенные физические методы количественного анализа — это рефрактометрия, рентгеноспектральный и радиоактивационный анализ.

В основе вторых лежит измерение физико-химических свойств определяемого вещества. К ним относятся:

• Оптические – спектрофотометрия, спектральный анализ, колориметрия.
• Хроматографические – газо-жидкостная хроматография, ионообменная, распределительная.
• Электрохимические – кондуктометрическое титрование, потенциометрическое, кулонометрическое, электровесовой анализ, полярография.

В основе третьих в списке методов лежат химические свойства исследуемого вещества, химические реакции. Химические методы разделяют на:

• Весовой анализ (гравиметрия) – базируется на точном взвешивании.
• Объемный анализ (титрование) – базируется на точном измерении объемов.

Наибольшее значение имеют гравиметрический и титриметрический. Их называют классическими методами химического количественного анализа.

Постепенно классические методы уступают свое место инструментальным. Однако они остаются самыми точными. Относительная погрешность этих методов всего 0,1-0,2%, а у инструментальных – 2-5%.

Сущность гравиметрического количественного анализа – это выделение интересующего вещества в чистом виде и его взвешивание. Выделение вещества чаще всего проводят осаждением. Иногда определяемый компонент нужно получить в виде летучего вещества (метод отгонки). Так можно определить, например, содержание в кристаллогидратах кристаллизационной воды. Методом осаждения определяют кремниевую кислоту при обработке горных пород, железо и алюминий при анализе горных пород, калий и натрий, органические соединения.

Аналитический сигнал в гравиметрии – масса.

Методика количественного анализа гравиметрией включает этапы:

1. Осаждение соединения, которое содержит интересующее вещество.
2. Фильтрование получившейся смеси для извлечения осадка от надосадочной жидкости.
3. Промывание осадка для устранения надосадочной жидкости и удаления с его поверхности примесей.
4. Высушивание при низких температурах для удаления воды или при высоких для перевода осадка в подходящую для взвешивания форму.
5. Взвешивание получившегося осадка.

Недостатки гравиметрического количественного анализа – это длительность определения и неселективность (реагенты-осадители редко бывают специфичными). Поэтому необходимо предварительное разделение.

Результаты количественного анализа, проведенного гравиметрией, выражают в массовых долях (%). Для расчета необходимо знать массу навески исследуемого вещества — G, массу полученного осадка — m и его формулу для определения фактора пересчета F. Формулы для расчета массовой доли и фактора пересчета представлены ниже.

Можно вычислить массу вещества в осадке, для этого используется фактор пересчета F.

Гравиметрический фактор – постоянная величина для данного исследуемого компонента и гравиметрической формы.

Титриметрический количественный анализ – это точное измерение объема раствора реагента, который расходуется на эквивалентное взаимодействие с интересующим веществом. При этом концентрация используемого реагента устанавливается предварительно. Учитывая объем и концентрацию раствора реагента, рассчитывают содержание интересующего компонента.

Название «титриметрический» происходит от слова «титр», которое обозначает один из способов выражения концентрации раствора. Титр показывает, сколько грамм вещества растворено в 1 мл раствора.

Титрование – процесс постепенного доливания раствора с известной концентрацией к конкретному объему другого раствора. Его продолжают до момента, когда вещества прореагируют друг с другом полностью. Этот момент называют точкой эквивалентности и определяют по изменению окраски индикатора.

• Кислотно-основный.
• Окислительно-восстановительный.
• Осадительный.
• Комплексонометрический.

В титриметрическом анализе используются следующие термины и понятия:

• Титрант – раствор, который приливают. Его концентрация известна.
• Титруемый раствор – жидкость, к которой приливают титрант. Его концентрацию нужно определить. В колбу обычно помещают титруемый раствор, а в бюретку – титрант.
• Точка эквивалентности – тот момент титрования, когда число эквивалентов титранта становится равным числу эквивалентов интересующего вещества.
• Индикаторы – вещества, применяемые для установления точки эквивалентности.

Титранты бывают стандартные и рабочие.

Стандартные получаются при растворении точной навески вещества в определенном (обычно 100 мл или 1л) объеме воды или другого растворителя. Так можно приготовить растворы:

В лабораторной практике стандартные растворы готовят, используя фиксаналы. Это определенное количество вещества (или его раствора), находящееся в запаянной ампуле. Такое количество рассчитано на приготовление 1 л раствора. Фиксанал может храниться долгое время, поскольку находится без доступа воздуха, за исключением щелочей, которые реагируют со стеклом ампулы.

Некоторые растворы невозможно приготовить с точной концентрацией. Например, концентрация перманганата калия и тиосульфата натрия изменяется уже при растворении за счет их взаимодействия с парами воды. Как правило, именно эти растворы нужны для определения количества искомого вещества. Раз их концентрация неизвестна, ее нужно определить перед титрованием. Данный процесс называют стандартизацией. Это установление концентрации рабочих растворов их предварительным титрованием стандартными растворами.

Стандартизация необходима для растворов:

• Кислот – серной, соляной, азотной.
• Щелочей.
• Перманганата калия.
• Нитрата серебра.

Для точного определения точки эквивалентности, то есть момента окончания титрования, необходим правильный выбор индикатора. Это вещества, изменяющие свой цвет, в зависимости от значения рН. Каждый индикатор изменяет цвет своего раствора при разном значении рН, называемом интервалом перехода. У правильно подобранного индикатора интервал перехода совпадает с изменением рН в области точки эквивалентности, называемом скачком титрования. Для его определения необходимо построить кривые титрования, для чего проводят теоретические расчеты. В зависимости от силы кислоты и основания различают четыре типа кривых титрования.

Если точка эквивалентности верно определена, титрант и титруемое вещество прореагируют в эквивалентом количестве, то есть количество вещества титранта (n_э1) будет равно количеству титруемого вещества (n_э2): n_э1 = n_э2. Поскольку количество вещества эквивалента равно произведению молярной концентрации эквивалента и объема раствора, то верно равенство

-C_э1 – нормальная концентрация титранта, известная величина;

-V₁ – объем раствора титранта, известная величина;

-C_э2 – нормальная концентрация титруемого вещества, необходимо определить;

-V₂ – объем раствора титруемого вещества, определяется в ходе титрования.

Проведя титрование, можно рассчитать концентрацию интересующего вещества по формуле:

Методика количественного химического анализа титрованием включает этапы:

1. Приготовление 0,1 н стандартного раствора из навески вещества.
2. Приготовление приблизительно 0,1 н рабочего раствора.
3. Стандартизация рабочего раствора по стандартному раствору.
4. Титрование исследуемого раствора рабочим раствором.
5. Проведение необходимых расчетов.

источник

Учебно – методическое пособие для студентов фармацевтического факультета

Химико-токсикологический анализ веществ, изолируемых экстракцией водой в сочетании с диализом. Учебно–методическое пособие для студентов фармацевтического факультета – Нижний Новгород: изд-во Нижегородской государственной медицинской академии, 2014..

Учебно-методическое пособие составлено для студентов фармацевтического факультета. В пособии рассмотрены метод изолирования токсикологичски важных кислот, щелочей и их солей из биологического материала, их качественное и количественное определение.

Рекомендовано к изданию ЦМС Нижегородской государственной медицинской академии.

Составители: Жильцова О.Е., Мельникова Н.Б.

Химико-токсикологический анализ веществ, изолируемых экстракцией водой в сочетании с диализом

К группе веществ, изолируемых экстракцией водой в сочетании с диализом, относятся минеральные кислоты – серная, хлористоводородная, азотная; органические кислоты; щелочи, водный раствор аммиака и ряд солей, из которых токсикологическое значение имеют, главным образом, натрия нитрит (реже калия нитрит), натрия и аммония нитраты (реже калия нитрат), калия хлорат.

Исследование на эти вещества производится в случае, если существуют указания материалов дела на возможное отравление этими веществами или основания после проведения предварительных испытаний.

По истечение долгого времени после отравления щелочи могут переходить в карбонатные формы, а свободные минеральные кислоты в солевые формы. В этом случае их обнаружение не имеет токсикологического значения, поскольку образующиеся соли являются эндогенными соединениями (входят в состав живых организмов).

Объектами исследования на наличие этой группы веществ являются содержимое желудка, рвотные массы, остатки пищи, части одежды и пр. При исследовании на соли к перечисленным объектам следует отнести также печень.

Метод изолирования минеральных кислот, щелочей и их солей подразумевает настаивание измельченного биологического материала в очищенной воде в течение 1 – 2 часов, с последующим фильтрованием и очисткой. Очистку водных вытяжек проводят, используя метод диализа.

Диализ — разделение растворённых веществ, различающихся молекулярными массами. Используется для очистки водных вытяжек от сопутствующих высокомолекулярных веществ (белки, макромолекулы) с помощью полупроницаемой мембраны.

Процесс основан на неодинаковых скоростях диффузии этих веществ через проницаемую мембрану, разделяющую концентрированные и разбавленные растворы. Под действием градиента концентрации растворённые вещества с разными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Скорость переноса веществ в обратном направлении снижается вследствие диффузии растворителя (обычно вода). В качестве мембран для диализа используется пергаментная бумага, пленки из нитро – и ацетилцеллюлозы (коллодий, целлофан). Мембраны — это разделительные перегородки. Разделение с помощью мембран — результат конкурирующих взаимодействий компонентов смеси с поверхностью перегородки. В пограничном слое около поверхности перегородки накапливается вещество, имеющее наименьшую скорость проницания.

Кроме диализа для этих целей используют электродиализ. Электродиализ — метод разделения растворов под действием электродвижущей силы, которая создаётся по обе стороны полимерных перегородок Электродиализаторы состоят из ряда камер, по которым перемещаются растворы электролитов. Они широко используются для обессоливания растворов.

Характеристика веществ, изолируемых экстракцией водой в сочетании с диализом.

I. Минеральные кислоты.

Серная кислота. При обычных условиях концентрированная серная кислота представляет собой тяжёлую маслянистую жидкость без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. Смешивается с водой в любых соотношениях с выделением тепла. Серная кислота малолетуча, однако при температуре выше 50 0 С способна к образованию паров серного ангидрида, обладающего большей токсичностью, чем сама кислота.

В промышленности выпускается в виде моногидрата — 98% раствор серной кислоты; олеума — 20% раствора серного ангидрида SO₃ в серной кислоте; неочищенной серной кислоты (купоросное масло) — 93-97% раствор серной кислоты.

Применяется серная кислота практически в любой области промышленности: в производстве минеральных удобрений; как электролит в свинцовых аккумуляторах; для получения различных минеральных кислот и солей; в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ; в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности; в пищевой промышленности (пищевая добавка Е 513), в промышленном органическом синтезе (в реакциях: дегидратации, гидратации, сульфирования, алкилирования и др.), для восстановления смол в фильтрах на производстве дистилированной воды.

Основными путями поступления серной кислоты в организм являются пероральные, ингаляционные и перкутанные. Смертельной дозой принято считать 5 – 10 г.

При ингаляционных отравлениях наблюдается затрудненное дыхание, которое сопровождается кашлем, охриплостью, возможно развитие ларингита, бронхита или трахеита. При вдыхании больших концентраций развивается отек гортани, легких, возможно развитие асфиксии и шока. Скрытый период отравления серной кислотой может составлять до 90 суток.

При попадании серной кислоты на кожные покровы, она быстро проникает вглубь тканей, образуя сначала белые, а, с истечением времени, коричнево-черные струпья.

При патологоанатомической экспертизе пероральных отравлений наблюдаются следы химического ожога вокруг рта (бурые полосы и пятна), Слизистые оболочки рта, глотки, пищевода окрашены в серо-бурый цвет, слизистая желудка – серовато-красная.

Качественный и количественный анализ на наличие серной кислоты.

При исследовании диализата на наличие серной кислоты ее перегоняют над медными опилками и собирают отгон в приемник, содержащий раствор йода в йодиде калия.

В колбе проходит окислительно-восстановительная реакция с образованием сернистой кислоты, а затем ее разложения до оксида серы (II).

Оксид серы с парами воды, попадая в приемник, взаимодействует с раствором йода с образованием серной кислоты.

При простой перегонке из-за постоянного присутствия хлоридов извлекаемых из биообъекта, они вступают в реакцию со свободной серной кислотой, с образованием хлористого водорода.

Образующуюся в результате перегонки серную кислоту обнаруживают по реакциям:

ü Реакция образования сульфата бария. Появление белого осадка при добавлении хлорида бария свидетельствует о наличии сульфат-ионов, но не доказывает присутствия свободной серной кислоты.

ü Реакция получения сульфата свинца. Выпадение белого осадка, нерастворимого в азотной кислоте, но растворимого в растворах щелочей и растворе ацетата аммония.

ü Реакция с родизонатом бария. Реакция основана на том, что натрия родизонат с солями бария образует бария родизонат, имеющий красную окраску. От добавления серной кислоты или сульфат-ионов бария родизонат разлагается, образуется белый осадок бария сульфата, а красная окраска исчезает.

Реакция специфична для сульфат-иона. Исследование на наличие свободной серной кислоты.

Количественное определение серной кислоты проводят методом алкалиметрии. В качестве титранта используют 0,1 М раствор гидроксида натрия (индикатор метиловый оранжевый).

Хлористоводородная кислота. Бесцветная (техническая соляная кислота желтоватая из-за примесей Fe, Cl₂ и др.) едкая жидкость с резким запахом, содержащая 35 – 38% хлористого водорода. На воздухе легко испаряется, «дымит» из-за образования хлористого водорода с парами воды капелек тумана. Смешивается с водой в любых соотношениях.

В промышленности выпускают «аккумуляторную» хлористоводородную кислоту, содержащую около 37% хлористого водорода и концентрированную хлористоводородную кислоту, содержащую примерно 25% хлористого водорода.

Применяется в химическом синтезе, гидрометаллургии и гальванопластике (для обработки руд, травления металлов), для очистки поверхности металлов при пайке и лужении, для получения хлоридов цинка, марганца, железа и др. металлов. В смеси с ПАВ используется для очистки керамических и металлических изделий от загрязнений и дезинфекции. В пищевой промышленности зарегистрирована в качестве регулятора кислотности и пищевой добавки E 507. Хлористоводородная кислота является естественной составной частью желудочного сока человека. Растворы соляной кислоты, 0,3 — 0,5%, обычно в смеси с ферментом пепсином, назначают внутрь больным с недостаточной кислотностью.

Основным путем поступления хлористоводородной кислоты является ингаляционный, реже перкутанный и пероральный. Смертельной дозой считается 10 – 15 г хлористоводородной кислоты.

При вдыхании хлористого водорода наблюдается раздражение верхних дыхательных путей и легких, проявляющееся охриплостью, кашлем, болью в груди. В тяжелых случаях летальный исход наступает от асфиксии в результате отека гортани или спазма голосовой щели через 3 – 4 часа.

При перкутанном и пероральном отравлениях симптомы аналогичны симптомам отравления серной кислотой, однако выражены в меньшей степени. На коже наблюдается серозное воспаление с пузырями, пораженные участки имеют серо-белесоватый цвет, ожоги незначительны. При попадании на слизистую оболочку глаза вызывает конъюнктивит, химический ожог, помутнение роговицы.

При паталогоанатомическом вскрытии наблюдается сероватый или черный цвет слизистых оболочек полости рта, пищевода, желудка и верхнего отдела кишечника. Содержимое желудка представляет собой бурую массу. Печень, почки и сердце подвержено жировой дистрофии. Сердечная мышца дряблая и имеет желтоватый цвет.

Качественный и количественный анализ на наличие хлористоводородной кислоты.

Водное извлечение из биологического материала или диализат, первоначально исследуют на наличие хлорид-ионов. Образование обильного белого осадка с нитратом серебра указывает на необходимость проведения дальнейшего исследования на свободную хлористоводородную кислоту.

Вследствие возможности образования хлористоводородной кислоты из хлоридов при наличии свободной серной кислоты сначала проводят исследование на серную кислоту, а затем на хлористоводородную.

При исследовании диализата на наличие хлористоводородной кислоты, ее, как и соляную кислоту, получают путем перегонки диализата на песчаной бане. Первоначально из колбы в приемник отгоняется вода, а при достижении хлористого водорода 10% концентрации, он начинает перегоняться в приемник и растворяется в присутствующей воде. По возможности перегонку проводят до выпаривания всей жидкости из колбы.

Дистиллят исследуют на наличие хлористого водорода реакциями:

ü Реакция с нитратом серебра. Появление белого осадка, растворимого в растворе аммиака и образующегося снова при добавлении азотной кислоты, свидетельствует о наличии хлорид-ионов.

ü Реакция выделения йода. При добавлении к дистилляту калия хлората при небольшом нагревании, выделяется свободный хлор, который обнаруживают по посинению йодкрахмальной бумаги.

Количественное определение хлористого водорода важно, чтобы судить о том, имеется ли в данном случае (например, в рвотных массах) введенная кислота, а не хлористоводородная кислота желудочного сока (0,1—0,2%), которая обычно в содержимом желудка трупа уже нейтрализована.

Определенную часть водного извлечения подвергают перегонке, выпаривая содержимое колбы, как описано выше, досуха. В дистилляте определяют количество хлористого водорода титрованием по Фольгарду или весовым путем, взвешивая серебра хлорид.

Метод Фольгарда не применим к количественном определению хлористоводородной кислоты, если биологический материал подвержен гниению Образующийся сероводород вступает в реакцию с нитратом серебра с образованием осадка сульфида серебра (AgS) и искажает результаты анализа. Поэтому для количественного определения хлористоводородной кислоты в несвежем биологическом материале используют метод гравиметрии.

К раствору добавляется избыток нитрата серебра, образующиеся осадки хлорида и сульфида серебра отфильтровывают и обрабатывают 10% раствором аммиака для растворения хлорида серебра. Аммиачный раствор подкисляют азотной кислотой, и выделившийся осадок хлорида серебра отфильтровывают, высушивают и взвешивают.

Азотная кислота. Бесцветная прозрачная жидкость. Смешивается с водой в любых соотношениях. В открытом виде азотная кислота выделяет тяжелее пары, образующие белый дым. Негорюча, но обладает способностью воспламенять все горючие вещества. Способна взрываться в присутствии растительных и минеральных масел, спирта.

В промышленности выпускается в виде 50 – 60% и 96 – 98% растворов.

Промышленное применение азотной кислоты: в производстве минеральных удобрений; в военной промышленности (в производстве взрывчатых веществ, как окислитель ракетного топлива, в синтезе различных веществ, в том числе отравляющих); для травления печатных форм; в производстве красителей и лекарств (нитроглицерин); в ювелирном деле (основной способ определения золота в золотом сплаве).

Как и у предыдущих кислот, основными путями поступления азотной кислоты являются ингаляционный, перкутанный и пероральный. Смертельной дозой считается 8 – 10 г азотной кислоты.

Раздражение верхних дыхательных путей и легочной ткани ведет к развитию токсического отека легких. Скрытый период составляет от 3 до 6 ч. При ингаляционных отравлениях наблюдаются синюшность слизистых оболочек век и губ, в трахее и бронхах скапливается большое количество мелкопузырчатой пены, легкие увеличены в объеме, на разрезе цвет легких синюшно-красный с большим скоплением пены. Внутренние органы полнокровны, наблюдается отек мягкой мозговой оболочки и головного мозга.

При попадании на кожу ткани приобретают желтый цвет за счет продуктов разложения и нитрования. При приеме внутрь отравление начинается с резких болей во рту, глотке, пищеводе, желудке. Рвота бурыми массами с обрывками слизистой оболочки. Летальный исход наступает вследствие шока или коллапса.

При паталогоанатомическом вскрытии содержимое желудка имеет запах оксидов азота, в окружности и слизистой оболочки рта, слизистой пищеварительного тракта наблюдается желтоватая окраска. Сердечная мышца и печень серовато-красного цвета с бурым оттенком, дряблые.

Качественный и количественный анализ на наличие азотной кислоты.

Для обнаружения азотной кислоты перегонку диализата проводят, как и в случае с серной кислотой, над медными опилками, а в приемник, для улавливания образующегося в колбе оксида азота (IV), помещают воду. При взаимодействии азотной кислоты с медными опилками образуется оксид азота (II), который окисляется до оксида азота (IV), реагирующего с водой, в результате чего образуется смесь азотной и азотистой кислот.

Обнаружение образующихся азотной и азотистой кислот проводят по реакциям:

ü Реакция с дифениламином. Реакция основана на окислении дифениламина азотной кислотой, при этом вначале образуется бесцветный дифенилбензидин, который при дальнейшем окислении превращается в соединение синего цвета. Реакция является неспецифичной. Такое же окрашивание дают соли азотной и азотистой кислот, а также другие окислители.

ü Реакция с бруцином. Появление красного окрашивания свидетельствует о наличии азотной кислоты.

БРУЦИН

ü Реакция с белком на азотную кислоту (ксантанпротеиновая проба). Свободная азотная кислота при достаточной концентрации способна фиксироваться белками и окрашивать их в желтый цвет, переходящий в оранжевый от добавления аммиака. Шерстяные и шелковые нити будут изменять свою окраску в результате данной реакции в отличие от хлопчатобумажных нитей, которые остаются белыми.

Подобную окраску (пожелтение нитей) может давать и пикриновая кислота, однако и окрашивание раствора диализата тоже будет желтым.

Реакция на азотистую кислоту. Зеленое окрашивание при добавлении раствора феназона в присутствии серной кислоты, свидетельствует о наличии азотистой кислоты в диализате.

Количественное определение азотной кислоты проводят методом нейтрализации. В качестве титранта используют 0,1М раствор натрия гидроксида, индикатор – фенолфталеин.

II. Едкие щелочи.

К едким щелочам относят натрия гидроксид (каустическая сода, NаОН), калия гидроксид (КОН) и кальция гидроксид Са(ОН)2. Слабое основание – раствор аммиака (NН4ОН).

Гидроксид натрия(каустическая сода, каустик, едкий натр, едкая щёлочь). Белое твёрдое кристаллическое вещество. На воздухе расплывается, так как притягивает влагу. Хорошо растворяется в воде с большим выделением теплоты, образуя растворы мылкие на ощупь. Растворяется в спирте и глицерине.

Гидроксид натрия применяется в большинстве отраслей промышленности и для бытовых нужд: в целлюлозно-бумажной промышленности; для омыления жиров при производстве мыла, шампуней и других моющих средств; в химических отраслях промышленности (для нейтрализации кислот и кислотных окислов, как реагент или катализатор в химических реакциях, в химическом анализе для титрования, для травления алюминия и в производстве чистых металлов, в нефтепереработке для производства масел); в качестве агента для растворения засоров канализационных труб; в гражданской обороне для дегазации и нейтрализации отравляющих веществ; для очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа; при приготовлении пищи (для мытья и очистки фруктов и овощей от кожицы, в производстве шоколада и какао, напитков, мороженого, окрашивания карамели, для размягчения маслин и придания им чёрной окраски, при производстве хлебобулочных изделий, в качестве пищевой добавки E-524.

Пути поступления в организм: пероральный, ингаляционный (в виде пыли). Особенно выражено действие при непосредственном контакте с кожей или слизистыми. Развивается резко выраженное раздражающее и прижигающее действие, глубокие некрозы из-за образования рыхлых растворимых белковых альбуминатов. Смертельной дозой принято считать 10 – 20 г гидроксида натрия.

При попадании на кожу или слизистые типичен глубокий ожог с образованием мягких струпьев и последующим их рубцеванием. При ингаляционном поражении возникает острый воспалительный процесс дыхательных путей; возможна пневмония. При попадании гидроксида натрия внутрь (перорально) наблюдается острое воспаление, мелкие язвы, ожоги слизистых оболочек губ, рта, пищевода и желудка. Отравление сопровождается сильной жаждой, слюнотечением, кровавой рвотой, при тяжелых случаях развивается внутреннее кровотечение. Попадание на слизистую глаза чревато сильными ожогами, вплоть до появления слепоты.

Качественный и количественный анализ на наличие гидроксида натрия.

Обнаружение гидроксида натрия проводят по катиону Na + .

ü Реакция с гидроксистибиатом калия. В уксуснокислой среде при добавлении к диализату раствора гидроксистибиата калия появляется белый кристаллический осадок.

Переоткрытие гидроксида натрия возможно из-за образования в кислой среде метосурьмяной кислоты HSbO₃, которая будет выпадать в осадок.

ü Реакция с цинк-уранилацетатом. При наличии ионов натрия в нейтральных и уксуснокислых средах цинк-уранилацетат образует кристаллический осадок зеленовато-желтого цвета. Кристаллы имеют вид октаэдров или тетраэдров.

Количественное определение гидроксида натрия проводят методом ацидиметрии, используя в качестве титранта 0,1М раствор хлористоводородной кислоты, индикатор – фенолфталеин.

Гидроксид калия (едкое кали, каустический поташ). Бесцветные, очень гигроскопичные кристаллы, но гигроскопичность меньше, чем у гидроксида натрия. Водные растворы имеют сильнощелочную реакцию.

Применение в промышленности: в пищевой промышленности (пищевая добавка E525), для получения метана, поглощения кислотных газов и обнаружения некоторых катионов в растворах, в производстве жидких мыл, для очистки изделий из нержавеющей стали от жира и других масляных веществ, а также остатков механической обработки, электролит в щелочных (алкалиновых) батарейках.

Пути поступления в организм и симптомы отравлений сходны с гидроксидом натрия. Многие реакции на организм выражены сильнее, чем у гидроксида натрия. Смертельной дозой считается 10 – 20 г гидроксида калия.

Качественный и количественный анализ на наличие гидроксида калия.

Выраженная щелочная реакция среды диализатов, отсутствие карбонатов и присутствие ионов калия указывают на наличие калия гидроксида в материале.

Для обнаружения ионов калия в диализатах применяют реакции:

ü Реакция с гидротартратом натрия (NaHC₄H₄O₆). Выпадение белого осадка свидетельствует о присутствии К + .

ü Реакция с кобальтнитритом натрия (Na₃[Co(NO₂)₆]. При наличии ионов калия выпадает желтый кристаллический осадок K₂Nа[Сo(NO₂)₆].

Эти реактивы дают осадки с ионами калия в нейтральных или слабокислых растворах, поэтому, диализаты, имеющие щелочную реакцию, до начала исследования нейтрализуют или доводят до слабокислой реакции (рН=3-4) раствором уксусной кислоты.

Количественное определение гидроксида калия проводят методом ацидиметрии, используя в качестве титранта 0,1М раствор хлористоводородной кислоты, индикатор – фенолфталеин.

Аммиак – едкий бесцветный газ с резким запахом. Обладает высокой летучестью. Очень летуч. При растворении аммиака в воде образуется гидроксид аммония.Аммиак водный (аммония гидроксид, аммиачная вода, едкий аммоний, едкий аммиак). Летучая жидкость с резким специфическим запахом. Токсичность в воздухе резко возрастает при повышении температуры и влажности.

Промышленно выпускается 25%-й раствор аммиака. Насыщенный раствор содержит 33% аммиака, а нашатырный спирт – 10%. Промышленное применение: в пищевой промышленности (пищевая добавка E 527); в качестве удобрения.

Основной путь поступления аммиака – ингаляционный. Смертельной дозой считается 10 – 15 мл 33% раствора или 25 – 50 мл 10% раствора.

При больших концентрациях в воздухе наблюдается обильное слезотечение, боль в глазах, ожог конъюнктивы и роговицы, потеря зрения. Со стороны дыхательных путей – приступы кашля, резкий отек языка, ожог слизистых оболочек верхних дыхательных путей с некрозом, отек гортани, бронхит, бронхоспазм. При очень высоких концентрациях наступает паралич ЦНС и быстрая смерть при явлениях асфиксии. Смерть наступает в течение 10 – 15 минут.

При паталогоанатомическом вскрытии наблюдаются ярко-красные оболочки рта, глотки, пищевода, желудка, отек легких, изменения в почках (нефроз и некроз извитых канальцев), кровоизлияние в головной мозг, запах аммиака от внутренних органов.

Качественный и количественный анализ на наличие гидроксида аммония.

Анализ на аммиак проводиться, если предварительные испытания указали на возможное его присутствие.

Предварительные испытания на аммиак проводят с тремя индикаторными бумажками: красной лакмусовой, смоченной раствором сульфата меди и смоченной раствором свинца ацетата. Посинение красной лакмусовой бумажки и бумажки смоченной раствором меди сульфата указывает на наличие аммиака.

Почернение «свинцовой» бумажки указывает на наличие сероводорода и, следовательно, на процесс гниения. В этом случае исследование на наличие аммиака является нецелесообразным. Образование аммиака может происходить также при наличии щелочей (NаОН, КОН), выделяющих аммиак из его солей и белковых веществ.

Реакция с реактивом Несслера. Желто-бурое или оранжево-коричневое окрашивание выпавшего осадка дийододимеркураммония свидетельствует о наличии аммиака в диализате. Реакция не является специфичной, поскольку многие ионы могут давать осадки такого цвета в щелочной среде в присутствии иодид-ионов.

Количественное определение гидроксида аммония проводят методом ацидиметрии, используя в качестве титранта 0,1М раствор хлористоводородной кислоты, индикатор – метиловый оранжевый.

источник