Kvantitatīvā analīze ir liela analītiskās ķīmijas sadaļa, kas ļauj noteikt objekta kvantitatīvo (molekulāro vai elementāro) sastāvu. Kvantitatīvā analīze ir kļuvusi plaši izplatīta. To izmanto, lai noteiktu rūdu sastāvu (lai novērtētu to attīrīšanas pakāpi), augšņu, augu objektu sastāvu. Ekoloģijā kvantitatīvās analīzes metodes nosaka toksīnu saturu ūdenī, gaisā un augsnē. Medicīnā to izmanto viltotu narkotiku noteikšanai.
Kvantitatīvās analīzes problēmas un metodes
Kvantitatīvās analīzes galvenais uzdevums ir noteikt vielu kvantitatīvo (procentuālo vai molekulāro) sastāvu.
Atkarībā no tā, kā šī problēma tiek atrisināta, ir vairākas kvantitatīvās analīzes metodes. Ir trīs to grupas:
- Fiziskā.
- Fizikāli ķīmiskā.
- Ķīmiskā.
Pirmie ir balstīti uz vielu fizikālo īpašību – radioaktivitātes, viskozitātes, blīvuma uc mērīšanu. Visizplatītākās kvantitatīvās analīzes fizikālās metodes ir refraktometrija, rentgenstaru spektrālā un radioaktīvā analīze.
Otrais ir balstīts uz analizējamās vielas fizikāli ķīmisko īpašību mērījumu. Tie ietver:
- Optiskā - spektrofotometrija, spektrālā analīze, kolorimetrija.
- Hromatogrāfija - gāzu-šķidruma hromatogrāfija, jonu apmaiņa, sadale.
- Elektroķīmiskā - konduktometriskā titrēšana, potenciometriskā, kulonometriskā, elektrosvara analīze, polarogrāfija.
Trešās metodes metožu sarakstā ir balstītas uz pārbaudāmās vielas ķīmiskajām īpašībām, ķīmiskajām reakcijām. Ķīmiskās metodes iedala:
- Svara analīze (gravimetrija) - pamatojoties uz precīzu svēršanu.
- Tilpuma analīze (titrēšana) - pamatojoties uz precīzu tilpuma mērījumu.
Kvantitatīvās ķīmiskās analīzes metodes
Svarīgākās ir gravimetriskā un titrimetriskā. Tās sauc par klasiskajām ķīmiskās kvantitatīvās analīzes metodēm.
Pamazām klasiskās metodes piekāpjas instrumentālajām. Tomēr tie joprojām ir visprecīzākie. Šo metožu relatīvā kļūda ir tikai 0,1-0,2%, savukārt instrumentālajām metodēm tā ir 2-5%.
Gravimetrija
Gravimetriskās kvantitatīvās analīzes būtība ir interesējošās vielas izolēšana tās tīrā veidā un tās svēršana. Izdalīšanās biežākvisu veic ar nokrišņiem. Dažreiz nosakāmā sastāvdaļa jāiegūst gaistošas vielas veidā (destilācijas metode). Tādā veidā ir iespējams noteikt, piemēram, kristalizācijas ūdens saturu kristāliskajos hidrātos. Ar nokrišņu metodi nosaka silīcija skābi iežu apstrādē, dzelzi un alumīniju iežu, kālija un nātrija, organisko savienojumu analīzē.
Analītiskais signāls gravimetrijā - masa.
Gravimetrijas kvantitatīvās analīzes metode ietver šādas darbības:
- Savienojuma nogulsnēšanās, kas satur interesējošo vielu.
- Iegūtā maisījuma filtrēšana, lai ekstrahētu nogulsnes no supernatanta.
- Nogulšņu mazgāšana, lai likvidētu supernatantu un noņemtu piemaisījumus no tās virsmas.
- Žāvēšana zemā temperatūrā, lai noņemtu ūdeni, vai augstā temperatūrā, lai pārvērstu nogulsnes svēršanai piemērotā formā.
- Iegūto nogulumu svēršana.
Gravimetriskās kvantitatīvās noteikšanas trūkumi ir noteikšanas ilgums un neselektivitāte (izgulsnēšanas reaģenti reti ir specifiski). Tāpēc ir nepieciešama iepriekšēja atdalīšana.
Aprēķins ar gravimetrisko metodi
Ar gravimetriju veiktās kvantitatīvās analīzes rezultātus izsaka masas daļās (%). Lai aprēķinātu, jāzina pārbaudāmās vielas svars - G, iegūto nogulumu masa - m un tā formula pārrēķina koeficienta F noteikšanai. Formulas masas daļas un konversijas koeficienta aprēķināšanai ir norādītas zemāk.
Var aprēķināt vielas masu nogulumos, šim nolūkam tiek izmantots pārrēķina koeficients F.
Gravimetriskais koeficients ir konstanta vērtība noteiktai testa komponentei un gravimetriskai formai.
Titrimetriskā (tilpuma) analīze
Titrimetriskā kvantitatīvā analīze ir precīzs reaģenta šķīduma tilpuma mērījums, kas tiek patērēts līdzvērtīgai mijiedarbībai ar interesējošo vielu. Šajā gadījumā izmantotā reaģenta koncentrācija ir iepriekš iestatīta. Ņemot vērā reaģenta šķīduma tilpumu un koncentrāciju, tiek aprēķināts interesējošās sastāvdaļas saturs.
Nosaukums "titrimetrisks" cēlies no vārda "titrs", kas attiecas uz vienu veidu, kā izteikt šķīduma koncentrāciju. Titrs parāda, cik gramu vielas ir izšķīdināts 1 ml šķīduma.
Titrēšana ir zināmas koncentrācijas šķīduma pakāpeniska pievienošana noteiktam cita šķīduma tilpumam. To turpina līdz brīdim, kad vielas pilnībā reaģē viena ar otru. Šo momentu sauc par ekvivalences punktu, un to nosaka indikatora krāsas izmaiņas.
Titrimetriskās analīzes metodes:
- Skābes-bāze.
- Redox.
- Nokrišņi.
- Kompleksometriskā.
Titrimetriskās analīzes pamatjēdzieni
Titrimetriskajā analīzē tiek izmantoti šādi termini un jēdzieni:
- Titrant - risinājums,kas tiek izliets. Tā koncentrācija ir zināma.
- Titrēts šķīdums ir šķidrums, kuram pievieno titrētāju. Ir jānosaka tā koncentrācija. Titrēto šķīdumu parasti ievieto kolbā, bet titrētāju ievieto biretē.
- Ekvivalences punkts ir titrēšanas brīdis, kad titrēšanas līdzekļa ekvivalentu skaits kļūst vienāds ar interesējošās vielas ekvivalentu skaitu.
- Indikatori - vielas, ko izmanto, lai noteiktu līdzvērtības punktu.
Standarta un darba risinājumi
Titrānti ir standarta un darbojas.
Standarta iegūst, izšķīdinot precīzu vielas paraugu noteiktā (parasti 100 ml vai 1 l) tilpumā ūdens vai citā šķīdinātājā. Lai jūs varētu sagatavot risinājumus:
- Nātrija hlorīds NaCl.
- Kālija dihromāts K2Cr2O7.
- Nātrija tetraborāts Na2B4O7∙10H2 O.
- Skābeņskābe H2C2O4∙2H2 O.
- Nātrija oksalāts Na2C2O4.
- Dzintarskābe H2C4H4O4.
Laboratorijas praksē standarta šķīdumus sagatavo, izmantojot fiksanālus. Tas ir noteikts vielas (vai tās šķīduma) daudzums noslēgtā ampulā. Šo daudzumu aprēķina 1 litra šķīduma pagatavošanai. Fixanal var uzglabāt ilgu laiku, jo tas ir bez gaisa piekļuves, izņemot sārmus, kas reaģē ar ampulas stiklu.
Daži risinājuminav iespējams pagatavot ar precīzu koncentrāciju. Piemēram, kālija permanganāta un nātrija tiosulfāta koncentrācija mainās jau šķīdināšanas laikā to mijiedarbības ar ūdens tvaikiem dēļ. Parasti šie risinājumi ir nepieciešami, lai noteiktu vēlamās vielas daudzumu. Tā kā to koncentrācija nav zināma, tā ir jānosaka pirms titrēšanas. Šo procesu sauc par standartizāciju. Šī ir darba šķīdumu koncentrācijas noteikšana, to iepriekš titrējot ar standarta šķīdumiem.
Risinājumiem nepieciešama standartizācija:
- Skābes - sērskābe, sālsskābe, slāpekļskābe.
- Sārmi.
- Kālija permanganāts.
- Sudraba nitrāts.
Indikatora izvēle
Lai precīzi noteiktu ekvivalences punktu, tas ir, titrēšanas beigas, ir pareizi jāizvēlas indikators. Tās ir vielas, kas maina savu krāsu atkarībā no pH vērtības. Katrs indikators maina šķīduma krāsu pie atšķirīgas pH vērtības, ko sauc par pārejas intervālu. Pareizi izvēlētam indikatoram pārejas intervāls sakrīt ar pH izmaiņām ekvivalences punkta reģionā, ko sauc par titrēšanas lēcienu. Lai to noteiktu, nepieciešams konstruēt titrēšanas līknes, kurām tiek veikti teorētiskie aprēķini. Atkarībā no skābes un bāzes stipruma ir četru veidu titrēšanas līknes.
Titrimetriskās analīzes aprēķini
Ja ekvivalences punkts ir pareizi definēts, titrētājs un titrētā viela reaģēs līdzvērtīgā daudzumā, tas ir, titrējošās vielas daudzumā.(ne1) būs vienāds ar titrētās vielas daudzumu (ne2): ne1=n e2. Tā kā ekvivalentās vielas daudzums ir vienāds ar ekvivalenta molārās koncentrācijas un šķīduma tilpuma reizinājumu, tad vienādība
Ce1∙V1=Ce2∙V2, kur:
-Ce1 – normāla titranta koncentrācija, zināma vērtība;
-V1 – titrējošā šķīduma tilpums, zināma vērtība;
-Ce2 – titrējamās vielas normāla koncentrācija, jānosaka;
-V2 – titrējamās vielas šķīduma tilpums, kas noteikts titrēšanas laikā.
Pēc titrēšanas varat aprēķināt interesējošās vielas koncentrāciju, izmantojot formulu:
Ce2=Ce1∙V1/ V2
Titrimetriskās analīzes veikšana
Kvantitatīvās ķīmiskās analīzes metode ar titrēšanu ietver šādas darbības:
- 0,1 n standartšķīduma sagatavošana no vielas parauga.
- Aptuveni 0,1 N darba šķīduma sagatavošana.
- Darba risinājuma standartizācija atbilstoši standarta risinājumam.
- Pārbaudāmā šķīduma titrēšana ar darba šķīdumu.
- Veiciet nepieciešamos aprēķinus.
