Ćwiczenie 1 a. wstępne zagadnienia z analizy wagowej
Post on 19-Oct-2021
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Literatura
1. Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna. T.2. Chemiczne metody analizy
ilościowej. Wyd. 10. PWN, Warszawa 2011.
2. Szmal Z.S., Lipiec T., Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, Wyd. VII
poprawione i unowocześnione, PZWL, Warszawa 1996.
3. Persona A.(red.) Chemia analityczna. Wyd. Medyk, Warszawa, 2007.
4. Skrypt do ćwiczeń z chemii ogólnej, nieorganicznej i analitycznej, pod redakcją E.
Skrzydlewskiej, Uniwersytet Medyczny w Białymstoku, Białystok 2010.
5. Galus Z., Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej. Wyd. 9. WNT, Warszawa 2007.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi czynnościami w analizie wagowej; poznanie
warunków strącania osadów, w tym koloidalnych na przykładzie ilościowego oznaczania tlenku żelaza
(III), jak również porównanie różnych sposobów uzyskiwania stabilnego osadu.
Zakres materiału: podstawy teoretyczne i praktyczne dotyczące analizy wagowej, osad w analizie
ilościowej, wagi, zasady strącania i przemywania osadów krystalicznych i koloidalnych, prażenie,
suszenie osadów; znajomość obliczeń chemicznych – iloczyn rozpuszczalności i analiza wagowa.
Zagadnienia z wykładu poprzedzającego ćwiczenie.
ANALIZA ILOŚCIOWA
Zadaniem analizy ilościowej jest oznaczanie zawartości składników badanego związku lub
mieszaniny. W analizie ilościowej pod względem stosowanych metod pomiarowych wyróżnić można
trzy zasadnicze działy:
analizę klasyczną
analizę instrumentalną
analizę śladów
Analiza klasyczna (chemiczna analiza ilościowa) obejmuje metody, w których stosuje się:
pomiar masy lub pomiar objętości. Są to metody bezwzględne (bezpośrednie), a więc nie wymagające
stosowania wzorców i z reguły oparte na reakcjach chemicznych przebiegających całkowicie i zgodnie
z ich stechiometrią
1. Metody, w których wykorzystuje się pomiar masy to:
analiza wagowa, polegająca na dokładnym pomiarze masy osadu trudno rozpuszczalnego
związku, który otrzymuje się w wyniku wytrącenia oznaczonego składnika i obliczenia jego
zawartości na podstawie masy osadu i znajomości jego składu chemicznego,
analiza elektrograwimetryczna, polegająca na dokładnym pomiarze przyrostu masy
wydzielonego elektrolitycznie metalu na elektrodzie i obliczenie na tej podstawie zawartości
tego metalu w próbce,
Ćwiczenie 1
A. Wstępne zagadnienia z analizy wagowej.
B. Porównanie sposobów uzyskania stabilnego koloidalnego osadu w wyniku
prażenia w płomieniu palnika oraz w piecu muflowym, na przykładzie
oznaczania żelaza w postaci tlenku żelaza (III).
2
niektóre metody analizy gazowej, polegające na dokładnym pomiarze przyrostu masy adsorbenta
w wyniku absorpcji wydzielonego w trakcie analizy produktu gazowego, np. NH3 lub CO2.
2. Metody, w których wykorzystuje się pomiar objętości to:
metody miareczkowe, w których mierzy się objętość roztworu o znanym stężeniu (titranta),
zużytego do przeprowadzenia określonej reakcji chemicznej,
metody gazometryczne, sprowadzające się do pomiaru objętości gazu wydzielonego lub
pochłoniętego w określonej reakcji chemicznej.
A. Wstępne zagadnienia z analizy wagowej.
Analiza wagowa jest to metoda ilościowego określenia masy oznaczanej substancji (lub jej
składnika), przeprowadzonej w trudno rozpuszczalny związek za pomocą odpowiedniego odczynnika
strącającego. Jest to najdokładniejsza metoda analizy chemicznej, gdyż opiera się na pomiarach masy
otrzymanych osadów z dokładnością rzędu 0,1%.
Dla trudno rozpuszczalnego związku AmBn dysocjującego wg równania:
AmBn mAn+
+ nBm–
stan równowagi można opisać stałą równowagi:
K = [ ] [ ]
[ ]
A B
A B
n m m n
m n
Ponieważ stężenie fazy stałej AmBn nie ulega zmianie można je przyjąć za 1. Wtedy stałą równowagi
można przedstawić w postaci iloczynu rozpuszczalności oznaczanego jako KSO:
K = KSO = [An+
]m
[Bm–
] n
który można także opisać za pomocą pojęcia rozpuszczalności (S), wyrażonej w molach na litr
roztworu:
KSO = [An+
]m
[Bm–
]n
= (mS)m
(nS)n
= mm
nn S
(m+n)
Iloczyn rozpuszczalności pozwala na stwierdzenie, czy osad związku trudno rozpuszczalnego związku
wytrąci się po zmieszaniu odpowiednich roztworów zawierających związki dobrze rozpuszczalne w
wodzie.
Jeżeli w roztworze iloczyn stężeń tych jonów ma wartość mniejszą od iloczynu
rozpuszczalności roztwór jest nienasycony, wtedy osad nie wytrąca się.
Jeżeli iloczyn stężeń jonów jest równy lub większy od iloczynu rozpuszczalności (wartość
iloczynu rozpuszczalności zostanie przekroczona), dochodzi do wytrącenia osadu.
Czynniki wpływające na rozpuszczalność osadów
Wpływ wspólnego jonu. Ponieważ iloczyn stężeń jonów, na które rozpada się dana sól ma być
wielkością stałą, to zwiększenie stężenia jednego rodzaju jonów (np. poprzez wprowadzenie tych
jonów z zewnątrz) powoduje zmniejszenie stężenia drugiego rodzaju jonów. Prowadzi to do
zmniejszenia rozpuszczalności osadu.
Efekt solny. Rozpuszczalność soli trudno rozpuszczalnych zwiększa się pod wpływem dodatku
elektrolitu (roztworu soli).
Wpływ jonów wodorowych. Jony wodorowe zwiększają rozpuszczalność wodorotlenków
metali ciężkich oraz soli słabych kwasów. W tym przypadku jony wodorowe wiążą aniony,
3
wytwarzając cząsteczki słabo zdysocjowanych kwasów i tym sposobem zmniejszają stężenie anionów
w roztworze, co powoduje zwiększenie rozpuszczalności osadu
Hydroliza osadu. W niektórych przypadkach przyczyną zwiększenia rozpuszczalności osadu
jest hydroliza. Występujące w roztworze jony reagując z wodą, wytwarzają cząsteczki słabo
dysocjujących kwasów lub zasad co prowadzi do zmniejszenia stężenia tych jonów, a tym samym
dochodzi do zwiększenia rozpuszczenia osadu.
Wpływ temperatury. Ze wzrostem temperatury rozpuszczalność większości osadów ulega
zwiększeniu.
Osad w analizie ilościowej
Nie wszystkie osady mogą być wykorzystane w oznaczeniach ilościowych. Osad
wykorzystywany w analizie ilościowej powinien spełniać następujące podstawowe warunki:
powinien mieć jak najmniejszy iloczyn rozpuszczalności, aby składnik oznaczany był praktycznie
całkowicie wytrącony z roztworu; w analizie wagowej oznaczane są zwykle związki, których
rozpuszczalność (S) jest niższa od 1 · 10–5
mol · l–1
,
powinien mieć ściśle określony skład chemiczny, a czynniki atmosferyczne nie powinny mieć
wpływu na skład osadu,
powinien mieć postać umożliwiającą szybkie i łatwe odsączenie i przemycie,
nie powinien zawierać zanieczyszczeń składnikami roztworu macierzystego,
powinien mieć jak największą masę molową, aby udział oznaczanego w niej składnika był
możliwie mały, gdyż w ten sposób zmniejsza się błąd podczas ważenia, a ewentualne straty osadu
mają mniejszy wpływ na dokładność oznaczenia.
Etapy analizy wagowej
strącanie osadów
sączenie osadów
przemywanie osadów
suszenie/prażenie osadów
ważenie osadów
Strącanie osadów
Osady można podzielić na dwie grupy:
osady krystaliczne,
osady bezpostaciowe występujące np. w postaci galaretowatych zawiesin (tzw. osady koloidalne)
lub kłaczków.
Dla celów analitycznych wskazane jest, aby osad posiadał postać grubokrystaliczną (gruboziarnistą).
Wielkość cząstek osadu zależy od wzajemnego stosunku dwóch wielkości:
szybkości tworzenia się ośrodków krystalizacji tzw. zarodków,
szybkości narastania kryształu.
Jeśli szybkość tworzenia się zarodków jest mała w porównaniu z szybkością narastania
kryształu, to tworzy się niewielka liczba kryształów lecz o dużych rozmiarach. W celu uzyskania
osadów gruboziarnistych należy możliwie zmniejszyć szybkość tworzenia się zarodków. Często
wskazane jest również pozostawienie przez pewien czas wytrąconego osadu w roztworze
macierzystym w celu tzw. dojrzewania osadu. Rozpuszczają się wówczas drobniejsze kryształy, a
jednocześnie wzrastają większe. W wyniku starzenia się osadu otrzymuje się go zatem w postaci
bardziej grubokrystalicznej, a zatem czystszej i łatwiejszej do sączenia. Zachowanie tych warunków
pozwala na otrzymanie osadów grubokrystalicznych o wyższym stopniu czystości, łatwiejszych do
sączenia i przemywania. Od jakości osadu otrzymanego w toku analizy wagowej zależy dokładność
oznaczenia.
4
W celu otrzymania czystego osadu o odpowiedniej strukturze należy zachować następujące
warunki strącania:
1. strącanie osadu powinno odbywać się w podwyższonej temperaturze,
2. osad należy strącać z rozcieńczonego roztworu, odpowiednio rozcieńczonym odczynnikiem
strącającym, gdyż wydzieleniu się osadu przeszkadza zjawisko przesycenia roztworu, które
powoduje, że w pewnym momencie wydziela się duża liczba zarodków i tworzą się osady
drobnokrystaliczne,
3. odczynnik strącający należy dodawać powoli, mieszając roztwór podczas dodawania odczynnika.
Mieszanie roztworu podczas dodawania odczynnika strącającego zapobiega miejscowemu
wzrostowi stężenia odczynnika strącającego i tworzeniu się dużej liczby zarodków,
4. odczynnik strącający wprowadza się w odpowiednim nadmiarze.
W czasie strącania osadów należy pamiętać o następujących praktycznych zasadach
postępowania:
osady strąca się najczęściej w zlewkach,
wielkość naczynia dobiera się odpowiednio do objętości roztworu, przy czym objętość cieczy nie
powinna przekraczać połowy pojemności naczynia,
ilość strącanego składnika powinna być tak dobrana, aby otrzymanego osadu nie było zbyt wiele,
utrudnia to bowiem jego odsączenie i dobre przemycie,
strącanie osadu przeprowadza się mieszając ogrzany roztwór za pomocą bagietki i wkraplając
roztwór odczynnika strącającego z pipety lub cylindra miarowego.
Po dodaniu całej ilości odczynnika i opadnięciu wytrąconego osadu na dno naczynia sprawdza
się, czy wprowadzona ilość odczynnika jest dostateczna. W tym celu do klarownej cieczy wkrapla się
nieco roztworu odczynnika i obserwuje, czy nie pojawia się jeszcze zmętnienie. Jeśli tak, to wkrapla
się więcej odczynnika, miesza roztwór, a po odstaniu się osadu ponownie przeprowadza się próbę na
całkowite wytrącenie.
Sączenie osadów
Strącone osady oddziela się od roztworu sącząc je najczęściej przez sączki z bibuły. W analizie
ilościowej używa się tzw. sączków bezpopiołowych, w których masa popiołu otrzymanego po spaleniu
takiego sączka jest bardzo mała (3·10–5
– 7·10–5
g) i może być pominięta przy ważeniu na wagach
analitycznych (które ważą z dokładnością do 10–4
g). Ponadto w zależności od rodzaju osadu używać
można sączków o różnym stopniu porowatości:
sączki twarde – o najmniejszych porach, służą do sączenia osadów drobnokrystalicznych,
sączki średnie – tzw. luźniejsze, służą do sączenia osadów grubokrystalicznych,
sączki miękkie – służą do sączenia osadów bezpostaciowych (koloidalnych, galaretowatych).
Przygotowanie sączka
Warunkiem dobrego sączenia jest odpowiednie przygotowanie sączka. Wybrany krążek bibuły
składa się na czworo w taki sposób, aby po rozłożeniu można było uzyskać kształt stożka. Złożony
sączek umieszcza się w lejku tak, aby górna część rozłożonego sączka przylegała dokładnie do ścianek
lejka.
Sączenie
Przed sączeniem nie należy mieszać roztworu z osadem. Podczas sączenia nóżka lejka powinna
dotykać ścianki naczynia, do którego przechodzi przesącz. Nóżka lejka nie powinna dotykać ani
zanurzać się w przesączu. Roztwór z osadem wlewa się na sączek po bagietce, którą należy trzymać
tuż nad powierzchnią sączka. Wlewanie cieczy po bagietce zapobiega rozpryskiwaniu kropel. Sączek
może być napełniony roztworem najwyżej 5 mm poniżej jego krawędzi.
Po odsączeniu większości osadu miesza się zawartość zlewki i przenosi resztę roztworu wraz z
osadem na sączek. Pozostały w zlewce osad spłukujemy kilkakrotnie małymi porcjami cieczy
przemywającej. Jeżeli cząstki osadu przylegają do zlewki, wrzuca się do niej skrawek sączka i za
5
pomocą bagietki ściera się nim resztki osadu. Skrawek sączka z resztkami osadu spłukuje się ze zlewki
na sączek, używając cieczy przemywającej osad. Podczas sączenia należy zwracać uwagę na wygląd
przesączu. Jeśli jest on mętny, trzeba go przesączyć ponownie przez ten sam sączek. Jeśli w dalszym
ciągu przesącz nie jest klarowny, prawdopodobnie albo osad był nieprawidłowo wytrącony, albo użyto
niewłaściwego rodzaju sączka. W tych przypadkach należy analizę powtórzyć od początku.
Przemywanie osadów
Osady mogą być zanieczyszczone jonami, które znajdowały się w roztworze macierzystym i
otrzymanie czystego osadu jest często bardzo trudne. Zanieczyszczenia osadów mogą być
spowodowane głównie:
adsorpcją – zatrzymywanie zanieczyszczeń na powierzchni osadu,
współstrącaniem – tworzenie kryształów mieszanych, powstawanie złożonych połączeń
z jonami obecnymi w roztworze,
okluzją – wchłonięcie zanieczyszczeń do wnętrza kryształu,
wytrącaniem następczym – postprecypitacja.
Część zanieczyszczeń z wytrąconego osadu krystalicznego można usunąć przez:
─ starzenie osadu (polega na pozostawieniu osadu przez pewien czas w roztworze macierzystym,
przez co rozpuszczają się małe kryształy, a ich kosztem narastają duże),
─ staranne przemycie,
─ podwójne strącanie (strącony i przemyty osad rozpuszcza się i ponownie strąca tym samym
odczynnikiem strącającym).
Sposób przemywania osadu oraz roztwór stosowany do tego celu dobierany jest odpowiednio
do rodzaju osadu.
Osady krystaliczne przemywa się najczęściej na sączku, a do roztworu przemywającego dodaje
się związki o wspólnym jonie z osadem. Osad przeniesiony na sączek przemywa się kilkakrotnie
przygotowanym roztworem, przy czym nową porcję roztworu przemywającego nalewa się na osad po
całkowitym spłynięciu poprzedniej porcji. Do ostatniego przemycia często stosuje się wodę.
W przypadku osadów koloidalnych, które trudno jest odmyć na sączku stosuje się najczęściej
przemywanie przez dekantację. W tym przypadku podczas sączenia zlewa się ostrożnie ciecz, a osad
pozostawia w zlewce. Do przemywania osadów koloidalnych stosuje się rozcieńczone roztwory
mocnych elektrolitów, które zapobiegają peptyzacji osadu. Do osadu dodaje się małą porcję roztworu
przemywającego, miesza ją z osadem i po odstaniu zlewa ciecz, pozostawiając osad w zlewce.
Czynność tę powtarza się kilkakrotnie, przenosząc osad na sączek z ostatnią porcją roztworu
przemywającego. Przemywanie osadu kończy się na sączku.
Często podczas przemywania osadu przeprowadza się reakcje sprawdzającą, czy przemycie
osadu jest wystarczające. W tym celu zbiera się do probówki lub na szkiełko zegarkowe kilka kropli
przesączu z ostatniego przemycia i za pomocą odpowiedniej reakcji charakterystycznej sprawdza
obecność jonów, które powinny być usunięte z osadu.
Suszenie i prażenie osadu
Jeżeli celem strącenia osadu jest oznaczanie wagowe, to odsączony i przemyty osad suszy się
lub praży. Ma to na celu doprowadzenie do postaci o ustalonym składzie stechiometrycznym. Suszenie
pozbawia osad wody higroskopijnej – wilgoci oraz całkowicie lub częściowo wody krystalizacyjnej.
Natomiast podczas prażenia usuwana jest najsilniej związana woda krystalizacyjna (następuje
całkowite odwodnienie związku) i konstytucyjna w wyniku rozkładu związków chemicznych
zawierających w strukturze wodę oraz zachodzić mogą także inne procesy chemiczne. Suszenie osadu
przeprowadza się w suszarkach elektrycznych, natomiast prażenie na palnikach gazowych lub w
piecach elektrycznych.
Przygotowanie tygla polega na doprowadzeniu go do stałej masy przez wyprażenie w takich
samych warunkach, w jakich później będzie prażony z osadem. Po dokładnym umyciu tygiel praży się
6
w płomieniu palnika gazowego przez ok. 30 minut, następnie odstawia się palnik na około 1 minutę.
Nagrzanymi nad płomieniem czystymi szczypcami przenosi się tygiel do eksykatora, gdzie pozostawia
się go, aby uzyskał temperaturę otoczenia, a następnie waży. Aby stygnięcie tygla nie zajmowało zbyt
dużo czasu, nie należy wkładać do eksykatora tygla rozżarzonego, lecz zaczekać aż tygiel ochłodzi się
do temperatury 400–500oC, co nastąpi mniej więcej w ciągu 1 minuty po zniknięciu świecenia. Tygiel
w eksykatorze pozostawia się zazwyczaj na 30–40 minut. Po zważeniu tygla poddaje się go
ponownemu prażeniu, np. przez 15 min i znowu waży. Czynności te powtarza się do momentu
uzyskania dwóch kolejnych wyników nie różniących się więcej niż 2 · 10–4
g.
Sposoby prażenia
w piecu muflowym
w płomieniu palnika gazowego
Spalanie i prażenie w piecu muflowym
Piec muflowy służy do wygrzewania, wypalania i spopielania próbek, a także oznaczania straty
masy. Piec zapewnia bardzo równomierny rozkład temperatur dzięki zainstalowanej konstrukcji pieca
w postaci komory ceramicznej. Umożliwia ogrzewanie w sposób ciągły do 11000C i grzanie chwilowe
w przedziale 11000C – 1150
0C. Składa się z części grzewczej osadzonej w metalowej obudowie,
zamykanej od przodu drzwiami i zamontowanym z tyłu kominkiem odprowadzającym gazy, części
sterującej zamocowanej na wysięgniku z boku pieca. W części sterującej zainstalowany jest
programator umożliwiający:
zaprogramowanie cyklu ogrzewania,
samosterowania pracy (autotuning) w przypadku rozbieżności pomiędzy temperaturą
rzeczywistą a pożądaną,
sterowanie temperaturą pieca – realizacja wczytanego programu.
Spalanie i prażenie w płomieniu palnika gazowego
W przygotowanym tyglu umieszcza się odpowiednio złożony sączek z osadem (rysunek 1) i
ostrożnie suszy się go przez krótki czas w suszarce lub na trójkącie porcelanowym umieszczonym nad
palnikiem (rysunek 2)
.
Rysunek 1. Składanie sączka z osadem
Rysunek 2. a) suszenie, b) spalanie i c) prażenie osadu
7
Suszenie przeprowadza się w ukośnym ustawieniu tygla (zapobiega to gwałtownemu
unoszeniu się oparów), starając się nie dopuścić do zapalenia sączka (może to bowiem doprowadzić do
strat osadu porywanego przez strumień gwałtownie wydobywającego się dymu). Gdy jednak do
zapalenia sączka dojdzie, odstawia się palnik i pozwala na spokojne jego spopielenie (palących się
sączków nie należy gasić przez np. dmuchanie). Po wysuszeniu osadu zwiększa się ostrożnie płomień
palnika i spala sączek. Po spaleniu sączka przystępuje się do prażenia osadu, które przeprowadza się w
pionowym ustawieniu tygla. Prażenie osadu jest często konieczne w celu przeprowadzenia go w postać
o ściśle określonym składzie chemicznym. Prażenie osadów przeprowadza się na palnikach gazowych
lub w piecach. Osad musi być wyprażony do stałej masy. W celu sprawdzenia całkowitości
wyprażenia – podobnie jak w przypadku tygla pustego – odsuwa się palnik, czeka chwilę, aby tygiel
nieci ostygł, po czym wstawia tygiel do eksykatora i po pewnym czasie waży. Osad uważa się za
całkowicie wyprażony, jeśli różnica wyników dwóch kolejnych ważeń nie przekracza 2 · 10–4
g. Przy
większej różnicy należy osad wyprażyć jeszcze raz.
Ważenie osadów
Po wytrąceniu, przesączeniu, przemyciu oraz wysuszeniu/wyprażeniu osadu, aby dokonać jego
oceny ilościowej, należy go zważyć. Dokładność oznaczeń ilościowych w dużym stopniu zależy od
właściwego i dokładnego ważenia, a znajomość zasad prawidłowego ważenia ma zasadnicze
znaczenie.
Wielkości charakteryzujące wagę
Najważniejszymi wielkościami charakteryzującymi każdą wagę są czułość, dokładność i
nośność.
Czułość - jest to reakcja wskazań wagi na zmianę pod wpływem minimalnej masy położonej na szalkę.
Czułość wagi zależy od obciążenia, przy czym wraz ze zwiększeniem obciążenia maleje czułość
bezwzględna, a zwiększa się czułość względna, czyli maleje stosunek przeciążenia wywołującego
odchylenie o jedną działkę skali do obciążenia szalki.
Nośność wagi jest to największe, dopuszczalne obciążenie szalki.
Dokładność wagi jest to zgodność otrzymanego wyniku z wynikiem rzeczywistym – im mniejszy błąd
tym większa dokładność pomiaru.
W celu zważenia badanej substancji, zależnie od wymaganej czułości i dokładności, na
pracowni chemicznej stosuje się różne rodzaje wag, które można w różny sposób sklasyfikować.
Pomiaru masy dokonuje się przy użyciu elektronicznej wagi analitycznej.
Wagi elektroniczne
Wagi obecnie najczęściej stosowane i najbardziej popularne, ze względu na łatwość dokonania
pomiaru masy, jak i ich czułość. Zaliczane są do wag aperiodycznych, a odczyt masy ważonej
substancji obserwuje się na wyświetlaczu. Wśród wag elektronicznych, w zależności od czułości i
dokładności, wyróżnia się wagi:
wagi techniczne,
wagi mikroanalityczne,
wagi ultramikroanalityczne,
termowagi (wago-suszarka, analizator wilgoci) – urządzenie, w którym próbka podlega działaniu
wzrastającej temperatury. Pozwala ona na kontrolowanie zmiany masy ważonej substancji
podczas ogrzewania. Może służyć do określenia temperatury rozkładu badanej substancji oraz
wyznaczenia optymalnej temperatury suszenia.
Zasada działania wagi elektronicznej
Ruchoma szalka wagi umiejscowiona jest na metalowym cylindrze, który znajduje się wewnątrz
uzwojenia otaczającego stały cylindryczny magnes.
8
Prąd elektryczny przepływający w uzwojeniu wytwarza pole magnetyczne, które unosi cylinder i
szalki łącznie z obciążeniem oraz ramieniem wskaźnika.
Płynący przez uzwojenie prąd jest tak dobrany, aby przy braku obciążenia wskaźnik wskazywał 0.
Umieszczenie ważonego przedmiotu powoduje obniżenie ramienia szalki i zwiększenie ilości
światła docierającego do fotokomórki detektora pozycji 0.
Prąd fotokomórki ulega wzmocnieniu, powoduje zwiększenie natężenia pola
elektromagnetycznego i powrót szalki do pozycji 0.
Natężenie prądu, niezbędne do utrzymania szalki w pozycji 0, jest wprost proporcjonalne do masy
ważonego przedmiotu.
Zasady prawidłowego postępowania podczas przygotowywania naważki analitycznej
Masa naważki analitycznej powinna być wyznaczona z dokładnością do 0,1mg (0,0001g).
Wszystkie ważenia dotyczące jednej analizy powinny być wykonane na tej samej wadze
analitycznej.
Przed przystąpieniem do ważenia należy:
o sprawdzić czy waga jest wypoziomowana,
o sprawdzić czy waga jest czysta,
o wagę wyzerować /wytarować/.
Wyzerowywanie wagi
o na środku szalki wagi ustawić naczynko do odważania substancji i po ustabilizowaniu się
wskazania nacisnąć przycisk TARE (wskazanie masy wróci do zera),
o stan stabilizacji wagi jest sygnalizowany poprzez zaświecenie się diody lub pojawienie się
określonego symbolu na wyświetlaczu wagi].
Ważenie
o naczynko wagowe zdjąć z szalki i umieścić w nim ważoną substancję za pomocą łyżki lub
łopatki, a następnie naczynko umieścić ponownie na szalce,
o w czasie przenoszenia próbki, należy uważać, aby próbka nie uległa rozpyleniu,
o ważąc substancje, które łatwo ulegają rozpyleniu, sublimacji, czy też parowaniu, należy
stosować naczynka z przykrywką, zwracając uwagę na właściwy dobór przykrywki,
o odważanie cieczy oraz stałych substancji higroskopijnych można przeprowadzać tylko w
zamkniętych naczynkach,
o przedmioty ustawiane na szalce wagi powinny być suche i mieć temperaturę otoczenia,
o po upływie czasu stabilizacji wskazania wagi (około 2 s), odczytać wynik ważenia,
o nie wolno obciążać wagi powyżej jej nośności,
o podczas odczytywania wyników szafka wagi powinna być zamknięta,
o wynik ważenia powinien być odczytany z dokładnością co najmniej 0,1 mg,
o po zakończeniu ważenia wagę pozostawia się czystą, nieobciążoną i z zamkniętą szafką wagi,
Naważkę przesypać ilościowo do erlenmajerki/kolby używając lejka.
Po przesypaniu naważki, naczynko wagowe, a następnie lejek należy kilkakrotnie przepłukać wodą
destylowaną, w celu ilościowego przeniesienia zawartości.
Naczynia do odważania
W zależności od tego, jaką substancję odważa się, można korzystać z różnego typu naczynek
wagowych:
do odważania substancji sypkich, które nie ulegają sublimacji, nie absorbują wilgoci z powietrza
bądź nie pylą, używa się tzw. łódeczek wagowych, szkiełek zegarkowych lub papierków
wagowych. Naczyńka te mogą być wykonane ze szkła, porcelany lub tworzyw sztucznych.
do odważania substancji zmieniających swoją masę na powietrzu stosuje się, szczelnie zamykane,
naczyńka wagowe.
do odważania cieczy stosuje się pipetki wagowe z kranem.
do odważania substancji żrących stosuje się ampułki wagowe, których końcówka zostaje zatopione
9
przed przystąpieniem do ważenia.
Rysunek 3. Łódeczki wagowe szklane (a) i jednorazowe naczynka (b) do odważania substancji
sypkich oraz naczyńka wagowe do odważania substancji pylących i higroskopijnych (c, d)
B. Porównanie sposobów uzyskania stabilnego koloidalnego osadu
w wyniku prażenia w płomieniu palnika oraz w piecu muflowym,
na przykładzie oznaczania żelaza w postaci tlenku żelaza (III).
I. Część teoretyczna
Osad koloidalny - złożony jest z cząstek o nie uporządkowanej budowie sieciowej, tworzący podczas
rozpuszczania na ogół roztwory koloidalne (galaretowate) o rozmiarach cząstek pomiędzy 1 a 200 nm. W
roztworze koloidalnym substancja rozpuszczona znajduje się w stanie rozproszenia koloidalnego.
Podstawowymi procesami związanymi z osadami koloidowymi, mającymi praktyczne znaczenie w chemii
analitycznej, są: koagulacja i peptyzacja. Zależność między tymi procesami można przedstawić
schematycznie:
Osady koloidalne wykazują zdolność do peptyzacji, czyli tworzenia roztworów koloidalnych (zoli). Zole ze względu na wielkość cząstek składników przechodzą przez pory filtrów, co jest ich ujemną cechą z
punktu widzenia analizy chemicznej. Z roztworów koloidalnych można wydzielić większe agregaty
(skupiska) cząstek zwane żelami. Żele stanowią wówczas zawiesinę o cząsteczkach większych, które
łatwiej pod wpływem sił grawitacyjnych osadzają się (sedymentują) na dnie naczynia. Proces powstawania
żelu nosi nazwę koagulacji.
Strącanie osadów koloidalnych należy prowadzić:
• ze stężonych roztworów, co zapobiega peptyzacji osadu, a następnie rozcieńczać zawiesinę, aby
zmniejszyć adsorpcję zanieczyszczeń;
• w podwyższonej temperaturze, co ułatwia koagulację;
• w obecności elektrolitów;
• sączyć zaraz po opadnięciu osadu, zawsze z gorących roztworów.
W celu usunięcia powierzchniowych zanieczyszczeń przeprowadza się przemywanie osadów
koloidalnych rozcieńczonymi roztworami elektrolitów (sole amonowe, lotne kwasy).
(a.) (b.) (c.) (d.)
koagulacja
(roztwór koloidalny) zol żel (osad koloidowy)
peptyzacja
10
II. Część doświadczalna
Zasada oznaczenia
Zasada oznaczania polega na wytrąceniu z soli żelaza (III) koloidalnego osadu uwodnionego,
brunatnego, trudno rozpuszczalnego wodorotlenku żelaza (III) – Fe(OH)3, który nie ma jednak ściśle
określonego składu chemicznego i nie może być wykorzystany w obliczeniach stechiometrycznych.
Podczas prażenia wodorotlenek żelaz(III) ulega rozkładowi do tleneku żelaza(III) [Fe2O3] - o stałym,
ściśle określonym składzie oraz wodę:
2FeCl3 + 6NH3.H2O 2Fe(OH)3 + 6NH4Cl (1)
2Fe(OH)3
Fe2O3 + 3H2O (2)
Osad wodorotlenku żelaza(III) wyróżnia się wyjątkowo małą rozpuszczalnością w wodzie.
Iloczyn rozpuszczalności Fe(OH)3 wynosi 10-36
. W roztworze o pH 4 rozpuszcza się mniej niż 0.05 mg
Fe(III) w 1l, dzięki czemu zachodzi całkowite wytrącenie jonów Fe(III). Na wytrącenie ilościowe nie
wpływa stężenie jonów OH-, ponieważ osad nie rozpuszcza się w roztworach alkalicznych.
Wodorotlenek żelaza(III) jest koloidem o charakterze hydrofilowym. Aby uniknąć tworzenia
się zoli, osad wytrąca się na gorąco z roztworu zawierającego sole amonowe. Ponieważ osad trudno
peptyzuje i jest trudno rozpuszczalny, do przemywania można stosować gorącą wodę. Ze względu na
dużą powierzchnię osad wykazuje wybitne właściwości adsorpcyjne. W kwaśnym środowisku
adsorbowane są głównie aniony (gdy dodaje się powoli amoniak), w zasadowym – kationy. Aby
zmniejszyć adsorpcję kationów, dodaje się dużą ilość soli amonowych, przez co zwiększa się
adsorpcję jonów amonowych, a zmniejsza adsorpcję innych kationów.
1. Otrzymywanie osadu tlenku żelaza (III) (wykonać dwukrotnie)
Wykonanie oznaczenia
Ilościowe przeniesienie próbki i wykonanie oznaczenia
otrzymaną do analizy próbkę zawierającą sól żelaza (III)1, umieszczoną w probówce, przenieść
ilościowo, przy pomocy lejka, do kolby miarowej o pojemności 100ml,
probówkę, należy przepłukać 3-krotnie niewielką ilością wody destylowanej każdorazowo
przenosząc do kolby miarowej,
na koniec należy przemyć lejek wodą destylowaną z tryskawki, aby próbka ilościowo została
przeniesiona do kolby [minimalizacja strat próby badanej],
roztwór w kolbie miarowej należy rozcieńczyć wodą destylowaną do kreski (menisk dolny), kolbę
zamknąć korkiem i dokładnie wymieszać zawartość odwracając powoli naczynie 10 razy dnem do
góry, tak aby za każdym odwróceniem powietrze przechodziło od korka do dna kolby i odwrotnie,
po wymieszaniu kolbę należy odstawić na 2-3 minuty w celu spłynięcia roztworu z korka i ścianek,
czystą pipetą (starannie umytą i przepłukaną wodą destylowaną i suchą od zewnątrz), odmierzyć 10
ml otrzymanego roztworu, zanurzając w roztworze koniec pipety i ostrożnie zasysając ciecz za
pomocą pipetora,
roztwór przenieść ilościowo do zlewki o pojemności 200 ml, wypuszczając roztwór po ściankach
naczynia, a następnie opłukując ściankę niewielką ilością wody destylowanej,
w pipecie zawsze pozostaje pewna stała objętość cieczy, nie wolno jej wydmuchiwać ani strząsać,
dodać do zlewki 40 ml wody destylowanej przy użyciu cylindra miarowego,
dodać 5 ml 2M roztworu HCl, zlewkę przykryć szkiełkiem zegarowym i ogrzewać do temperatury
ok. 800C (nie dopuścić do wrzenia; dodatek kwasu solnego do roztworu zapobiega hydrolizie soli
żelaza podczas ogrzewania)2,3
do gorącego roztworu dodawać powoli, małymi porcjami, ciągle mieszając 2M roztwór amoniaku
do wytrącenia osadu,
ogrzewać ostrożnie do momentu opadnięcia osadu,3
11
sprawdzić całkowitość wytrącenia osadu i ogrzewać roztwór jeszcze przez 15 minut,
przygotować zestaw do sączenia z sączkiem miękkim,
osad przesączyć z gorącego roztworu,4
ciecz znad osadu zdekantować (osad pozostaje w zlewce).
osad (znajdujący się w zlewce) przemyć 3–4 objętościami cieczy przemywającej po 50 ml każda.
Do przemywania osadu stosuje się podgrzaną do 800C wodę z dodatkiem kilku kropli amoniaku
(amoniak zapobiega rozpuszczaniu osadu – efekt wspólnego jonu). Usuwane są w ten sposób jony
chlorkowe. Można uznać, że zostały one całkowicie odmyte, gdy świeża porcja przesączu po
zakwaszeniu HNO3 nie daje pozytywnej reakcji (białego osadu) z azotanem srebra,5
sączek z osadem umieścić w tyglu porcelanowym, spalić i wyprażyć w temperaturze 8000C do
stałej masy w płomieniu palnika i w piecu muflowym,6
UWAGI do wykonania oznaczenia
1 jeżeli nie jest wiadome, czy całe żelazo w próbce występuje w postaci soli żelaza(III) należy
sprawdzić obecność jonów Fe(II) i jeśli są obecne utlenić je za pomocą H2O2 do Fe(III) 2
dodanie elektrolitu i podwyższenie temperatury roztworu, z którego wytrącany jest osad sprzyja
koagulacji osadu. 3 należy unikać gotowania roztworu z osadem, ponieważ dochodzi wówczas do peptyzacji osadu,
który przybiera postać śluzowatą i trudną do sączenia z powodu częściowego rozpadu większych
aglomeratów 4 wydzielony na gorąco żel Fe(OH)3 należy szybko sączyć, ponieważ po ochłodzeniu ma skłonność
do przechodzenia w roztwór koloidalny 5 osady koloidalne powinno się przemywać wodą z dodatkiem elektrolitu
6 osady strącamy dwukrotnie; oba tygle z osadem prażymy do stałej masy: pierwszy - w płomieniu
palnika, drugi - w piecu muflowym.
2. Otrzymanie osadu o stałej masie z wykorzystaniem prażenia w płomieniu palnika
Doprowadzenie tygla porcelanowego do stałej masy
Przygotowanie tygla obejmuje następujące etapy:
─ wstawienie tygla do czystego trójkąta kaolinowego umieszczonego w pierścieniu statywu,
─ prażenie tygla w płomieniu palnika gazowego przez 30 minut
─ zdjęcie tygla i odstawienie go na płytkę krzemową
─ przeniesienie tygla do eksykatora nagrzanymi nad płomieniem czystymi szczypcami metalowymi,
po ok. 1 minucie, po zaniku jego świecenia
─ wystudzenie tygla do temperatury otoczenia (30–40 minut)
─ zważenie tygla na wadze analitycznej z dokładnością do 0,1 mg
─ ponowne prażenie (30 minut) – studzenie – ważenie
─ czynności te powtarza się do osiągnięcia przez tygiel stałej masy, tzn. do momentu, kiedy różnica
otrzymana w wyniku ważenia masy tygla nie będzie przekraczała 0,0002 g.
Suszenie, spalanie i prażenie sączka z osadem
─ sączek z osadem przenieść do wyprażonego i zważonego tygla i ostrożnie suszyć (mały płomień
palnika), a następnie zwiększyć płomień i spalić sączek. Zarówno przy suszeniu, jak i spalaniu
sączka tygiel należy ustawić na trójkącie porcelanowym (kaolinowym) w położeniu ukośnym (rys.
3 a, b)
─ po spopieleniu sączka osad prażyć ustawiając tygiel w położeniu pionowym (rys. 3 c)
─ osad uważa się za całkowicie wyprażony, jeśli różnica wyników dwóch kolejnych ważeń nie
przekracza 2 · 10–4
g (przy większej różnicy należy osad wyprażyć ponownie)
─ wszystkie wyniki ważenia należy notować zapisując wynik ważenia z dokładnością do 0,1 mg.
UWAGA do wykonania oznaczenia!
12
W temperaturze wyższej niż 1000C Fe2O3 może ulec redukcji do Fe3O4; wówczas osad
z brunatno-czerwonego przechodzi w czarny, a wyniki oznaczenia są za niskie.
Obliczenie zawartości żelaza w próbie
Z różnicy masy tygla z osadem i masy tygla pustego otrzymuje się masę osadu Fe2O3
oznaczaną jako a. Znając masę otrzymanego tlenku żelaza (III), należy obliczyć zawartość żelaza w
roztworze pobranym do oznaczenia x. Z reakcji (1) i (2) wynika, że z 2 moli jonów żelaza (III)
otrzymuje się 1 mol tlenku żelaza (III), zatem zawartość żelaza możemy obliczyć na podstawie
proporcji:
2 · 55,85 g Fe 159,70 g Fe2O3
x g Fe a g Fe2O3
70,159
85,552ax a · 0,6994 g Fe (III)
UWAGA! Obliczona ilość jonów żelaza (III) jest zawarta w 10 ml roztworu.
Masa żelaza w całej próbie: y = x . 10
Obliczenie błędu oznaczenia zawartości żelaza
Błąd bezwzględny – różnica pomiędzy wartością rzeczywistą i otrzymaną; wyrażony jest w takich
samych jednostkach jak wielkość mierzona.
Błąd względny – różnica pomiędzy wartością rzeczywistą i otrzymaną podzielona przez
wartość rzeczywistą i pomnożona przez 100%; wyrażony jest w %.
gdzie:
y – wyznaczona zawartość żelaza w próbce
– wartość rzeczywista
3. Otrzymanie osadu o stałej masie z wykorzystaniem pieca muflowego
Doprowadzenie tygla porcelanowego do stałej masy
uruchomić piec muflowy [typ Nabatherm B180] (przycisk z prawej strony pieca),
ustawić temperaturę grzania na 800°C przez naciśnięcie strzałek i przycisków numerycznych
umiejscowionych na panelu pieca,
zatwierdzić wybór parametrów przez naciśnięcie przycisku z dyskietką,
zainicjować pracę pieca przez naciśnięcie przycisku Start,
włożyć odzież ochronną (rękawice i maskę) i otworzyć drzwiczki pieca,
ostrożnie umieścić tygiel w piecu przy użyciu długich szczypiec (50-60 cm) i zamknąć drzwiczki
pieca,
prażyć tygiel przez 30 minut,
ponownie nałożyć odzież ochronną i ostrożnie wyjąć tygiel z pieca przy użyciu długich szczypiec i
odstawić go na płytkę krzemową,
odczekać ok. 1 minuty po zaniku świecenia,
przenieść tygiel do eksykatora nagrzanymi nad płomieniem czystymi szczypcami metalowymi,
ostudzić tygiel do temperatury otoczenia (30–40 minut),
zważyć tygiel na wadze analitycznej z dokładnością do 0,1 mg,
nałożyć odzież ochronną, otworzyć drzwiczki pieca i ponowne wyprażyć tygiel (15 minut),
13
czynności te powtarzać do osiągnięcia przez tygiel stałej masy, tzn. do momentu, kiedy różnica
otrzymana w wyniku ważenia masy tygla nie będzie przekraczała 0,0002 g.
Suszenie, spalanie i prażenie sączka z osadem
ustawić temperaturę grzania na 800°C przez naciśnięcie strzałek i przycisków numerycznych
umiejscowionych na panelu pieca,
zatwierdzić wybór parametrów przez naciśnięcie przycisku z dyskietką,
włożyć odzież ochronną (rękawice i maskę), otworzyć drzwiczki pieca i ostrożnie umieścić tygiel z
osadem w piecu przy użyciu długich szczypiec,
zamknąć drzwiczki pieca i suszyć, spalać i prażyć tygiel z osadem przez 30-40 minut,
w odzieży ochronnej ostrożnie wyjąć tygiel z osadem z pieca przy użyciu długich szczypiec i
odstawić go na płytkę krzemową,
odczekać ok. 1 minuty po zaniku świecenia,
przenieść tygiel do eksykatora nagrzanymi nad płomieniem szczypcami i ostudzić tygiel do
temperatury otoczenia (30–40 minut),
zważyć tygle na wadze analitycznej z dokładnością do 0,1 mg,
nałożyć odzież ochronną, otworzyć drzwiczki pieca i ponowne wyprażyć (15 minut),
czynności te powtarzać do osiągnięcia przez tygiel stałej masy, tzn. do momentu, kiedy różnica
otrzymana w wyniku ważenia masy tygla nie będzie przekraczała 0,0002 g.
Rysunek 4. Piec muflowy typ Nabatherm B180
Obliczenie zawartości żelaza w próbie
Z różnicy masy tygla z osadem i masy tygla pustego otrzymuje się masę osadu Fe2O3
oznaczaną jako a. Znając masę otrzymanego tlenku żelaza (III), należy obliczyć zawartość żelaza w
roztworze pobranym do oznaczenia x. Z reakcji (1) i (2) wynika, że z 2 moli jonów żelaza (III)
otrzymuje się 1 mol tlenku żelaza (III), zatem zawartość żelaza możemy obliczyć na podstawie
proporcji:
2 · 55,85 g Fe 159,70 g Fe2O3
x g Fe a g Fe2O3
70,159
85,552ax a · 0,6994 g Fe (III)
UWAGA! Obliczona ilość jonów żelaza (III) jest zawarta w 10 ml roztworu.
Masa żelaza w całej próbie: y = x . 10
14
Obliczenie błędu oznaczenia zawartości żelaza
Błąd bezwzględny – różnica pomiędzy wartością rzeczywistą i otrzymaną; wyrażony jest w takich
samych jednostkach jak wielkość mierzona.
Błąd względny – różnica pomiędzy wartością rzeczywistą i otrzymaną podzielona przez
wartość rzeczywistą i pomnożona przez 100%; wyrażony jest w %.
gdzie:
y – wyznaczona zawartość żelaza w próbce
– wartość rzeczywista
4. Porównanie sposobu uzyskania stabilnego koloidalnego osadu w wyniku prażenia
w płomieniu palnika oraz w piecu muflowym, na przykładzie oznaczania żelaza
w postaci tlenku żelaza (III).
a). Porównanie sposobu uzyskania stabilnego koloidalnego osadu tlenku żelaza z
wykorzystaniem prażenia w płomieniu palnika i w piecu muflowym.
Podać zalety i wady obu sposobów prażenia w celu uzyskania stabilnego osadu tlenku żelaza.
b). Porównanie dokładności oznaczenia żelaza przy wykorzystaniu do prażenia osadu
płomienia palnika i pieca muflowego
Porównać wielkość błędu powstałego podczas oznaczania żelaza w postaci tlenku żelaza
uzyskiwanego w postaci stabilnego osadu w wyniku prażenia w płomieniu palnika oraz w piecu
muflowym.
top related