Kiekybinė analizė – tai didelė analitinės chemijos dalis, leidžianti nustatyti kiekybinę (molekulinę ar elementinę) objekto sudėtį. Kiekybinė analizė tapo plačiai paplitusi. Naudojamas rūdų sudėčiai (jų apsivalymo laipsniui įvertinti), dirvožemių, augalinių objektų sudėčiai nustatyti. Ekologijoje kiekybinės analizės metodais nustatomas toksinų kiekis vandenyje, ore ir dirvožemyje. Medicinoje jis naudojamas netikriems vaistams aptikti.
Kiekybinės analizės problemos ir metodai
Pagrindinė kiekybinės analizės užduotis – nustatyti kiekybinę (procentinę arba molekulinę) medžiagų sudėtį.
Priklausomai nuo to, kaip ši problema išspręsta, yra keli kiekybinės analizės metodai. Yra trys jų grupės:
- Fizinė.
- Fizikinės ir cheminės.
- Cheminė.
Pirmieji yra pagrįsti medžiagų fizinių savybių – radioaktyvumo, klampumo, tankio ir kt. – matavimu. Labiausiai paplitę fizikiniai kiekybinės analizės metodai yra refraktometrija, rentgeno spindulių spektrinė ir radioaktyvioji analizė.
Antrasis yra pagrįstas analitės fizikinių ir cheminių savybių matavimu. Tai apima:
- Optinė – spektrofotometrija, spektrinė analizė, kolorimetrija.
- Chromatografija – dujų ir skysčių chromatografija, jonų mainai, pasiskirstymas.
- Elektrocheminis – konduktometrinis titravimas, potenciometrinis, kulonometrinis, elektromasės analizė, polarografija.
Tretieji metodai metodų sąraše yra pagrįsti cheminėmis bandomosios medžiagos savybėmis, cheminėmis reakcijomis. Cheminiai metodai skirstomi į:
- Svorio analizė (gravimetrija) – pagrįsta tiksliu svėrimu.
- Tūrio analizė (titravimas) – pagrįsta tiksliu tūrių matavimu.
Kiekybinės cheminės analizės metodai
Svarbiausi yra gravimetriniai ir titrimetriniai. Jie vadinami klasikiniais cheminės kiekybinės analizės metodais.
Pamažu klasikiniai metodai užleidžia vietą instrumentiniams. Tačiau jie išlieka patys tiksliausi. Šių metodų santykinė paklaida yra tik 0,1–0,2%, o instrumentinių metodų – 2–5%.
Gravimetrija
Gravimetrinės kiekybinės analizės esmė yra tiriamosios medžiagos grynos formos išskyrimas ir jos svėrimas. Išsiskyrimas dažniauvisa tai atliekama krituliais. Kartais komponentas, kurį reikia nustatyti, turi būti gautas lakiosios medžiagos pavidalu (distiliavimo metodas). Tokiu būdu galima nustatyti, pavyzdžiui, kristalizacijos vandens kiekį kristaliniuose hidratuose. Nusodinimo metodas nustato silicio rūgštį apdorojant uolienas, geležį ir aliuminį analizuojant uolienas, kalį ir natrią, organinius junginius.
Analitinis signalas gravimetrijoje – masė.
Kiekybinės analizės gravimetrijos metodas apima šiuos veiksmus:
- Junginio, kuriame yra dominančios medžiagos, nusodinimas.
- Gauto mišinio filtravimas, kad nuosėdos būtų išskirtos iš supernatanto.
- Nuosėdų plovimas, kad pašalintumėte supernatantą ir pašalintumėte nešvarumus nuo jų paviršiaus.
- Džiovinimas žemoje temperatūroje, kad pašalintų vandenį, arba aukštoje temperatūroje, kad nuosėdos paverstų sverti tinkamą formą.
- Sveriame susidariusias nuosėdas.
Gravimetrinio kiekybinio nustatymo trūkumai yra nustatymo trukmė ir neselektyvumas (nusodinimo reagentai retai būna specifiniai). Todėl būtinas išankstinis atskyrimas.
Skaičiavimas gravimetriniu metodu
Gravimetrija atliktos kiekybinės analizės rezultatai išreiškiami masės dalimis (%). Norėdami apskaičiuoti, turite žinoti bandomosios medžiagos masę - G, susidariusių nuosėdų masę - m ir jos formulę konvertavimo koeficientui F. Masės dalies ir konversijos koeficiento apskaičiavimo formulės pateiktos žemiau.
Galite apskaičiuoti nuosėdose esančios medžiagos masę, tam naudojamas perskaičiavimo koeficientas F.
Gravimetrinis koeficientas yra pastovi tam tikro bandymo komponento ir gravimetrinės formos vertė.
Titrimetrinė (tūrinė) analizė
Titrimetrinė kiekybinė analizė – tai tikslus reagento tirpalo tūrio, sunaudojamo lygiavertei sąveikai su dominančia medžiaga, matavimas. Šiuo atveju naudojamo reagento koncentracija yra iš anksto nustatyta. Atsižvelgiant į reagento tirpalo tūrį ir koncentraciją, apskaičiuojamas dominančio komponento kiekis.
Pavadinimas „titrimetrinis“kilęs iš žodžio „titras“, kuris reiškia vieną tirpalo koncentracijos išraiškos būdą. Titras rodo, kiek gramų medžiagos ištirpo 1 ml tirpalo.
Titravimas – tai žinomos koncentracijos tirpalo laipsniško pridėjimo į konkretų kito tirpalo tūrį procesas. Jis tęsiamas iki to momento, kai medžiagos visiškai reaguoja viena su kita. Šis momentas vadinamas lygiavertiškumo tašku ir nustatomas pagal indikatoriaus spalvos pasikeitimą.
Titrimetrinės analizės metodai:
- Rūgščių-šarmų.
- Redox.
- Krutulai.
- Kompleksometrinis.
Pagrindinės titrimetrinės analizės sąvokos
Titrimetrinėje analizėje vartojami šie terminai ir sąvokos:
- Titrant – sprendimas,kuris pilamas. Jo koncentracija žinoma.
- Titruotas tirpalas yra skystis, į kurį pridedama titravimo. Turi būti nustatyta jo koncentracija. Titruotas tirpalas paprastai dedamas į kolbą, o titruotojas dedamas į biuretę.
- Ekvivalentiškumo taškas yra titravimo momentas, kai titruojančios medžiagos ekvivalentų skaičius tampa lygus dominančios medžiagos ekvivalentų skaičiui.
- Indikatoriai – medžiagos, naudojamos lygiavertiškumo taškui nustatyti.
Standartiniai ir darbiniai sprendimai
Titratai yra standartiniai ir veikia.
Standartiniai gaunami ištirpinant tikslų medžiagos mėginį tam tikrame (dažniausiai 100 ml arba 1 l) vandens ar kito tirpiklio tūryje. Taigi galite paruošti sprendimus:
- Natrio chloridas NaCl.
- Kalio dichromatas K2Cr2O7.
- Natrio tetraboratas Na2B4O7∙10H2 O.
- oksalo rūgštis H2C2O4∙2H2 O.
- Natrio oksalatas Na2C2O4.
- Gintaro rūgštis H2C4H4O4.
Laboratorinėje praktikoje standartiniai tirpalai ruošiami naudojant fiksanalus. Tai tam tikras medžiagos (ar jos tirpalo) kiekis sandarioje ampulėje. Šis kiekis skaičiuojamas 1 litrui tirpalo paruošti. Fixanal gali būti laikomas ilgą laiką, nes jis neturi oro prieigos, išskyrus šarmus, kurie reaguoja su ampulės stiklu.
Kai kurie sprendimaineįmanoma virti su tikslia koncentracija. Pavyzdžiui, kalio permanganato ir natrio tiosulfato koncentracija kinta jau tirpstant dėl jų sąveikos su vandens garais. Paprastai būtent šie tirpalai reikalingi norint nustatyti norimos medžiagos kiekį. Kadangi jų koncentracija nežinoma, ją reikia nustatyti prieš titruojant. Šis procesas vadinamas standartizavimu. Tai yra darbinių tirpalų koncentracijos nustatymas preliminariai titruojant juos standartiniais tirpalais.
Sprendimams reikalingas standartizavimas:
- Rūgštys – sieros, druskos, azoto.
- Šarmai.
- Kalio permanganatas.
- Sidabro nitratas.
Indikatoriaus pasirinkimas
Norėdami tiksliai nustatyti lygiavertiškumo tašką, tai yra, titravimo pabaigą, turite tinkamai pasirinkti indikatorių. Tai medžiagos, kurios keičia spalvą priklausomai nuo pH vertės. Kiekvienas indikatorius keičia savo tirpalo spalvą esant skirtingai pH vertei, vadinamam pereinamuoju intervalu. Tinkamai parinktam indikatoriui pereinamasis intervalas sutampa su pH pokyčiu lygiavertiškumo taško srityje, vadinamas titravimo šuoliu. Jai nustatyti reikia sudaryti titravimo kreives, kurioms atliekami teoriniai skaičiavimai. Priklausomai nuo rūgšties ir bazės stiprumo, yra keturių tipų titravimo kreivės.
Titrimetrinės analizės skaičiavimai
Jei lygiavertiškumo taškas yra teisingai apibrėžtas, titruotojas ir titruojama medžiaga reaguos lygiaverčiu kiekiu, ty titruojančios medžiagos kiekiu.(ne1) bus lygus titruojamos medžiagos kiekiui (ne2): ne1=n e2. Kadangi ekvivalentinės medžiagos kiekis yra lygus ekvivalento molinės koncentracijos ir tirpalo tūrio sandaugai, tada lygybė
Ce1∙V1=Ce2∙V2, kur:
-Ce1 – normali titranto koncentracija, žinoma vertė;
-V1 – titruojančio tirpalo tūris, žinoma vertė;
-Ce2 – normali titruojamos medžiagos koncentracija, turi būti nustatyta;
-V2 – titruojamos medžiagos tirpalo tūris, nustatytas titravimo metu.
Po titravimo galite apskaičiuoti dominančios medžiagos koncentraciją naudodami formulę:
Ce2=Ce1∙V1/ V2
Titrimetrinės analizės atlikimas
Kiekybinės cheminės analizės metodas titruojant apima šiuos veiksmus:
- 0,1 n etaloninio tirpalo paruošimas iš medžiagos mėginio.
- Maždaug 0,1 N darbinio tirpalo paruošimas.
- Darbinio tirpalo standartizavimas pagal standartinį tirpalą.
- Titruojamojo tirpalo titravimas darbiniu tirpalu.
- Atlikite reikiamus skaičiavimus.
