ANALIZA ILOŚCIOWA – można wykonać różnymi metodami. Wybór metody uzależniony jest od składu jakościowego badanego materiału, stopnia trudności przeprowadzania analizy, szybkości badań analitycznych, dokładności uzyskanych wyników oraz kosztów badań.

Podstawowym kryterium w klasyfikacji metody analizy ilościowej są stosowane w takim procesie metody pomiarowe. W zależności od rodzaju metod pomiarowych masę ilościową, podobnie jak analizę jakościową dzieli się na: chemiczną analizę ilościową i instrumentalną analizę ilościową.

W instrumentalnych metodach analizy ilościowej podstawą jest pomiar (wykonywany odpowiednim miernikiem) wielkości fizycznej lub fizykochemicznej, która jest proporcjonalna do stężenia oznaczonego składnika w badanym materiale.

Natomiast w chemicznej analizie ilościowej, określanej również mianem klasycznej analizy ilościowej, podstawą są reakcje chemiczne przebiegające z dużą szybkością i zgodnie z stechiometrią.

Celem metody analizy ilościowej, zarówno instrumentalnych, jak i chemicznych jest prawidłowe określenie ilości danej substancji w badanym materiale. W związku z dużym postępem w technice pomiarowej, następuje również rozwój metod instrumentalnych oraz coraz szersze ich zastosowanie w praktyce. Jednak metody chemicznej analizy ilościowej nadal charakteryzują się precyzją i dokładnością oraz znaczną szybkością i łatwością wykonywania. Metodami chemicznymi analizuję się wzorce niezbędne w analizie instrumentalnej. W praktyce zarówno metody chemiczne jak i metody instrumentalne wzajemnie się uzupełniają.

Metody stosowane w chemicznej analizie ilościowej opierają się na pomiarze masy lub objętości. Stąd ich podział na metody analizy: wagowej i objętościowej. Określanie zawartości danej substancji w roztworze metodami wagowymi polega na wyodrębnianiu badanego składnika w postaci trudno rozpuszczalnego osadu o ściśle określonym składzie, a następnie zważeniu tego osadu oraz wyliczeniu zawartości danego składnika w osadzie z zależności stechiometrycznych.
Analiza objętościowa, zwana również analizą miareczkowania, polega na dokładnym odmierzeniu objętości roztworu odczynnika o znanym stężeniu, który reaguje w stosunku stechiometrycznym z substancją oznaczoną. Zawartość tej substancji w odpowiedni sposób wylicza się na podstawie zmierzonej objętości roztworu i jego stężenia.

Analiza wagowa opiera się przede wszystkim na reakcjach wytrącania trudno rozpuszczalnych osadów. Natomiast w analizie objętościowej do określenia ilości danej substancji wykorzystuje się wiele reakcji chemicznych.

ANALIZA OBJĘTOŚCIOWA

Klasyfikacja metod objętościowych:

W analizie objętościowej do określenia zawartości nieznanej substancji rozpuszczonej w badanym roztworze stosuje się roztwór o dokładnie znanym stężeniu substancji, która reaguje z oznaczoną substancją zgodnie ze stechiometrią reakcji. Roztwory o dokładnie znanym stężeniu, stosowane do oznaczenia roztworów o nieznanym stężeniu, nazywają się roztworami mianowanymi.
Do oznaczania składu ilościowego w metodach analizy objętościowej wykorzystuje się określone reakcje chemiczne, które powinny spełniać następujące warunki:

• Substancja oznaczona musi reagować stechiometrycznie z dodawanym odczynnikiem mianowanym tj. z równaniem reakcji

• Reakcja musi przebiegać z dużą szybkością

• Dodawany odczynnik mianowany nie może reagować z innymi substancjami znajdującymi się w roztworze.

• Musi istnieć odpowiedni wskaźnik pozwalający zaobserwować zakończenie reakcji.

Podział metod objętościowych w zależności od rodzaju reakcji stanowicącej podstawę oznaczenia jest następujący:

• Alkacymetria, której podstawę stanowi reakcja zobojętnienia kwas-zasada

• Redoksymetria, wykożystująca w reakcje utleniania i redukcji

• Precypitometria, oparta na reakcjach tworzenia trudno rozpuszczalnych związków

• Kompleksometria, której podstawą jest tworzenie rozpuszczalnych i trwałych związków kompleksowych.

Alkacymetria

Metoda analizy objętościowej opartej na reakcji zobojętniania, można oznaczać kwasy, zasady, a także sole słabych kwasów i mocnych zasad oraz sole słabych zasad i mocnych kwasów. Podstawą tych oznaczeń jest reakcja zobojętniania.

H⁺ + OH^- ↔H₂O

W której jony wodorowe pochodzące od kwasów łączą się z jonami wodorotlenowymi pochodzącymi od zasad w słabo dysocjujące cząsteczki wody. Do oznaczania kwasów oraz soli silnych kwasów i słabych zasad stosuje się mianowane roztwory zasad, zaś do oznaczania zasad oraz soli silnych zasad i słabych kwasów- mianowane roztwory kwasów. Metody alkacymetruu, które zajmują się oznaczaniem zasad przez ich miareczkowanie mianowanymi roztworami kwasów, nazywa si ę acydymetrią. Natomiast oznaczenie kwasów w wyniku ich miareczkowania, mianowanymi roztworami zasad toalkalimetrią.

W acydymetrii jako roztwór mianowany najczęściej stosowany jest roztwór kwasu solnego, ze względu na jego trwałość, brak zdolności utleniających, a przede wszystkim ze względu na dobrą na ogół rozpuszczalność chlorków powstających w wyniku reakcji zobojętniania. Natomiast w alkalimetrii najczęściej stosowanym roztworem mianowanym jest roztwór wodorotlenku sodu.

W reakcji między kwasem i zasadą jeden mil jonów H+ reaguje z jednym molem jonów OK-

W miarę dodawania odczynnika, w roztworze miareczkowanym zachodzą zmiany stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych następuje zmiana pH roztworu. Odczyn roztworu w punkcie równoważnikowym zależy od charakteru powstałej soli. Jedynie w przypadku miareczkowania mocnego kwasu z mocną zasadą, lub odwrotnie – mocnej zasady z mocnym kwasem, odczyn roztworu w punkcie równoważnikowym jest obojętny (pH = 7). Natomiast podczas miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą, lub odwrotnie – słabej zasady mocnym kwasem, równocześnie z reakcją zobojętniania przebiega reakcja hydrolizy. W wyniku reakcji hydrolizy istniejące w roztworze jony soli łączą się z jonami wodorowymi lub wodorotlenowymi i wówczas w punkcie równoważnikowym roztwór nie jest obojętny, lecz zasadowy lub kwaśny.

Ilościowy przebieg zmian pH w roztworze od czasu miareczkowania odzwierciedla w sposób graficzny krzywa miareczkowania przebieg krzywej miareczkowania zależy od stężenia oraz mocy kwasów i zasad, biorących udział w reakcji zobojętniania. Krzywa miareczkowania 0,1 M roztworu wodorotlenku sodu 0,1M roztworu kwasu solnego ma przebieg pokazany:

Technika metod objętościowych

Podstawową czynnością w analizie objętościowej jest miareczkowanie. Podczas miareczkowania do badanego roztworu dodaje się roztwór mianowany do momentu zakończenia przebiegu reakcji substancji oznaczonej z odczynnikiem, to znaczy do osiągnięcia punktu równoważnikowego (PR). Roztwór mianowany dodaje się do badanego roztworu w ilości wynikającej ze stechiometrii reakcji. Podczas miareczkowania reakcja zobojętniania przebiega bez żadnych widocznych zmian w roztworzę. Toteż do określenia zakończenia miareczkowania w alkacymetrii, tj. ustalenia punktu końcowego miareczkowania (PK), stosuje się metody instrumentalne, np. konduktometryczne, potencjometryczne, spektrometryczne, lub metody wzrokowe, oparte na obserwacji zmiany barwy wskaźnika dodanego do miareczkowanego roztworu.

Działanie wskaźnika dodawanego do roztworu miareczkowanego polega na zmianie barwy roztworu w chwili zakończenia reakcji między roztworem mianowanym a roztworem oznaczonym. Zasady działania wskaźnika są omówione w rozdziale 3.

W miareczkowanych metodach oznaczania bardzo ważne jest dokładanie odmierzanie objętości cieczy. Podstawową jednostką objętości w analizie jest 1 dm3. W praktyce laboratoryjnej objętość roztworów wyraża się zwyczajowo w mililitrach (1ml=1cm3=10-3dm3). Do odmierzania lub określania objętości cieczy w laboratorium stosuje się szklane naczynia miarowe, takie jak kolby miarowe, biurety, pipety, cylindry miarowe. Zasady posługiwania się tymi naczyniami miarowymi są omówione w rozdziale 1.

WYKONYWANIE ĆWICZENIA

W ćwiczeniu oznacza się masę wodorotlenku sodu zawartą w roztworze wodnym na podstawie reakcji zobojętniania kwasem solnym.

Na⁺+OH^-+H⁺+CL^- -> H₂O – Na⁺+Cl^-

Miareczkowanie badanego roztworu NaOH przeprowadza się roztworem HCl o stężeniu 0,1mol/dm3. Stanowisko do wykonania oznaczenia zawartości wodorotlenku sodu w badanym roztworze przedstawione jest na rysunku.

Przeprowadzenie analizy otrzymanego roztworu wymaga wykonania następujących czynności:

1. Przygotowanie badanego roztworu

Otrzymany roztwór NaOh w kolbie miarowej rozcieńczyć wodą destylowaną do objętości 0,1dm3 (100ml), którą wskazuje wytrawiona kreska na szyjce kolby. Gdy dolny menisk cieczy znajdzie się na wysokości kreski, zamknąć kolbę czystym, suchym korkiem i wymieszać roztwór bardzo dokładnie, odwracając kolbę wielokrotnie dnem do góry, przy równoczesnym dociskaniu korka. (mieszamy znaczy się)

1. Przygotowanie próbek do miareczkowania

1. Odmierzyć pipetą po 10cm3 badanego roztworu NaOH do trzech kolb stożkowych.

2. Do każdej kolby stożkowej zawierającej odmierzony roztwór dodać po 20cm3 wody destylowanej za pomocą cylindra miarowego. Woda destylowana nie bierze udziału w reakcji, a dodaje się ją jedynie w celu zwiększenia objętości roztworu, aby ułatwić obserwowane zmiany barwy wskaźnika podczas miareczkowania.

3. Do przygotowanych roztworów dodać 2-3 krople oranżu Metylowego.

1. Miareczkowanie

Przed przystąpieniem do miareczkowania należy napełnić biuretę roztworem HCL o stężeniu 0,1 mol/dm3. Podczas napełniania biurety należy usunąć powietrze z końcówki biurety przez całkowite otwarcie kranu i wypchnięcie powietrza szybko wypływającym strumieniem roztworu kwasu. Do każdego miareczkowania należy uzupełniać roztwór kwasu w biurecie do poziomu zerowego.

Przystępując do miareczkowania należy ustawić pod napełnioną biuretą kolbę stożkową z badanym roztworem na kartce białego papieru. Prawą ręką ująć kolbę stożkową i przez poruszanie kolbą mieszać jej zawartość. Lewą reką manipulując przy kranie bądź ściskaczu biurety, regulować szybkość dozowania mianowanego roztworu kwasu. Roztwór biurety dodać małymi porcjami, śledząc jednocześnie zabarwione roztworu miareczkowanego. Zmiana żółtego zabarwienia wskaźnika na pomarańczowe świadczy o zakończeniu przebiegu reakcji między roztworem dodawanym z biurety a roztworem badanym. W celu ułatwienia zaobserwowania właściwego momentu zakończenia miareczkowania należy barwę miareczkowanego roztworu porównać z roztworem wzorcowym, znajdującym się w laboratorium. Po zakończeniu miareczkowania odczytać objętości zużytego roztworu kwasu z dokładnością do 0.05cm3 i wyniki zapisać w dzienniku laboratoryjnym. Z miareczkować pozostałe próbki. Przyjmując pierwsze miareczkowanie jako orientacyjne, następnie miareczkowanie należy przeprowadzić bardzo dokładnie. Podczas miareczkowania następnych próbek na początku można dodawać mianowany roztwór HCl z większą szybkością zaś pod koniec miareczkowania zmniejszyć szybkość, aby dokładnie uchwycić moment przebiegu reakcji.

Przeprowadzone oznaczenia przyjmuje się jako prawidłowe, jeżeli różnice między dwoma wynikami nie przekraczają 0.3cm3. Natomiast jeżeli różnice między wynikami trzech miareczkowań są większe od 0.3cm3. należy wykonać miareczkowanie jeszcze jednej próbki. Dość znacznie różnice między kolejnymi miareczkowania mi mogą świadczyć o niewłaściwym wymieszaniu badanego roztworu w kolbie miarowej.

1. Opracowanie wyników analizy.

W sprawdzeniu należy podać numer analizowanego roztworu, objętość zużytego kwasu podczas kolejnych miareczkowań oraz wyliczyć masę NaOH, zawartą w roztworze otrzymanym do analizy.

Podczas miareczkowania roztworu wodorotlenku sodu mianowanym roztworem kwasu solnego jeden mol NaOh jest zobojętniony przez jeden mol HCl stąd w obliczeniach można skorzystać z zależności

C_HClV_HCl=C_NaOHV_NaOH

Gdzie: C_HCl – stężenie molowe mianowanego roztworu HCl

V_{HCl – objętość roztworu HCl zużytego podczas miareczkowania}

C_{NaOH – stężenie molowe roztworu NaOh}

V_{NaOH – objętość roztworu miareczkowanej próbki}

Do obliczeń przyjmuje się średnią arytmetyczną z wyników prawidłowo wykonanych miareczkowań.

Masę m_NaOH zawartą w roztworze otrzymanym do analizy należy wyliczyć z zależności.

m_NaOH = C_NaOH=V_oM_NaOH

V_o – objętość kolby miarowej dm3

M_NaOH – masa cząsteczkowa NaOH g/mol