Поняття про кількісний аналіз. Загальна характеристика кількісних методів аналізу

Поняття про кількісний аналіз. Загальна характеристика кількісних методів аналізу

Завдання кількісного аналізу. Класифікація методів кількісного аналізу. Завданням кількісного аналізу є визначення кількісного вмісту окремих елементів у сполуках (або окремих речовин у сумішах), концентрації або маси речовини. За допомогою кількісного аналізу встановлюють кількісний склад і структуру речовин та їх ідентичність певному зразку, визначають кількість розчиненої речовини в певному об’ємі розчину. Кількісний аналіз пов’язаний з оцінкою місцезнаходження корисних копалин для металургії і хімічної промисловості, має значення для біології і агрохімії, ґрунтознавства, фізіології рослин. Кількісний аналіз –це сукупність хімічних і фізичних методів визначення відносної кількості елементів, іонів чи хімічних сполук у досліджуваній речовині. Для свідомого застосування методів кількісного аналізу потрібне ґрунтовне знання багатьох теоретичних розділів хімії. Методи кількісного аналізу базуються на теоретичних положеннях закономірності процесів кристалізації і утворення малорозчинних сполук, явищ спів осадження, умов рівноваги між іонами в водних розчинах, протікання окисно-відновних реакцій.

Залежно від маси речовини, яку беруть для аналізу, у кількісному аналізі виділяють: мікрометоди (наважка 0,1 г і більше), напівмікрометоди (наважка 0,01 - 0,1 г), мікрометоди (10-3 – 0,01 г), ультра мікрометоди (10-6 ) субмікрометоди (10-9 ). За характером речовин, які аналізують, розрізняють: аналіз металів, аналіз води, газовий аналіз, фазовий аналіз, силікатний аналіз, елементний функціональний аналіз органічних сполук і т.д.

Сучасні методи кількісного аналізу класифікують за: вимірюваними параметрами (властивостями): масою речовини, об’ємом розчину реактива, інтенсивністю спектральних ліній елементів, поглинання видимого, інфрачервоного або ультрафіолетового світла, розсіювання світла, адсорбційних властивостей сорбентів, електричної провідності, величиною дифузного струму, радіоактивності тощо. Методи кількісного аналізу поділяють на: хімічні, - фізичні, - фізико-хімічні. До хімічних належать: гравіметричний та титриметричний аналізи. Фізичні та фізико-хімічні методи аналізу умовно називають інструментальними. Крім того, існують методи розділення сумішей (або іонів). До них відносять хроматографію, екстракцію, дистиляцію, фракційне осадження та інші.

Аналітичні вимірювальні прилади, терези В кількісному аналізі основним приладом є ваги. На вагах вимірюють масу речовин. Результати аналізу, одержані будь-яким методом, відносять до певної речовини, наприклад виражені у вигляді масової частки. Тому, приступаючи до аналізу, беруть наважку речовини, тобто відважують порцію, яку потім досліджують. Важливою вимогою кількісного аналізу є одержання достатньо точних результатів. Аналітичні ваги, які використовують в кількісному аналізі зазвичай дозволяють важити речовини масою не більше 100-200 г, з точністю до 0,0002 г , тобто 0,2 мг. Чутливість вагів виражається по відхиленню стрілки від нульової точки при збільшенні навантаження на 1 мг. Чим більше відхилення стрілки при цьому, тим більша чутливість вагів. Зазвичай чутливість вагів становить 0,3 мг на одну поділку шкали при навантаженні до 10 г. Правильність вагів характеризується величиною розбіжності між результатами зважування на них та справжньою масою тіла. Під точністю вагів розуміють величину розбіжностей між результатами повторних зважувань на них одного й того ж тіла. Наприклад, якщо точність звичайних аналітичних вагів становить 0,0002 г, це означає, що при правильній роботі результати повторних зважувань на них можуть відрізнятися від першого зважування не більше ніж на 0,0002 г.

Основні стадії хімічного аналізу. Вибір методу аналізу. Відбір проб для аналізу Кількісне визначення хімічним методом складається з трьох основних етапів: Відмірювання певної кількості речовини для аналізу – зважування або вимірювання її об’єму. Проведення певної хімічної реакції, внаслідок якої компонент, який визначають, перетворюється на сполуку з певними хімічними і фізичними властивостями. Вимірювання показника якоїсь фізичної властивості системи, за величиною якого роблять висновки про кількісний вміст визначуваного компонента. Важливим завданням підготовки речовини до аналізу є одержання середньої проби – проби, яка дійсно характеризує середній склад досліджуваної речовини. Ця операція має достатньо важливе значення, оскільки від неї залежить відповідність одержаних результатів дійсному складу досліджуваного об’єкту. При неправильно відібраній середній пробі самий точний і ретельний аналіз втрачає свою цінність.

Середня проба повинна містити як можна більше порцій речовини, взятих довільно з різних точок досліджуваної партії. Для цього відібрану первинну середню пробу з частинками великих розмірів подрібнюють і ділять на частини квартуванням. Пробу розкладають рівним шаром так, щоб вийшов квадрат. Його ділять на чотири трикутника, вміст двох протилежних трикутників відкидають, а два інших змішують, 80 після чого далі подрібнюють. Квартування повторюють доти, доки не залишиться біля 25 г речовини. Із одержаного матеріалу в подальшому беруть наважки для аналізу.

Правила проведення розрахунків Значущі цифри та правила заокруглення Експериментальні дані та результати розрахунків у хімічному аналізі прийнято виражати лише значущими цифрами. Значущими називають усі достовірно відомі цифри плюс перша з недостовірних. Тому результати слід закруглювати до першої недостовірної цифри. При оцінці недостовірності результатів вимірювань необхідно враховувати реальні можливості методу чи методики. Як статистичний критерій може виступати, наприклад, стандартне відхилення або довірчий інтервал. У випадку відсутності таких відомостей, недостовірність приймають рівною ±1 в останній значущій цифрі. Якщо за першою недостовірною цифрою слідує цифра 5, то результат заокруглюють до найближчого парного числа. Наприклад, число 10,245 слід заокруглити до 10,24, а число 10,255 — до 10,26. Рекомендується заокруглювати кінцевий результат після виконання всіх арифметичних дій. Нулі, що стоять на початку числа, завжди не значущі і лише вказують на місце коми в десятковому дробі. Наприклад, число 0,0002 містить лише одну значущу цифру. Нулі, що стоять між цифрами, завжди значущі. Наприклад, у числі 0,306 є три значущі цифри. Нулі в кінці числа можуть бути значущими та не значущими.

Наприклад, у числі 4000,0 п'ять значущих цифр. Нулі в кінці цілого числа можуть означати значущу цифру, а можуть вказувати на порядок величини. Наприклад, у числі 70 значущих цифр може бути одна (7) або дві (7 та 0). У таких випадках з метою запобігання невизначеності слід представити число у нормальномувигляді, тобто у вигляді добутку числа, яке містить лише значущі цифри, на 10n , де n – так званий порядок числа. Наприклад, якщо в числі 600 одна значуща цифра, то його слід записати як 6·102 , якщо три — 6,00·102 . Надалі нулі в кінці числа вважаємо значущими, а порядок числа вказуватимемо, використовуючи його нормальний вигляд.

Додавання і віднімання. Значимість суми або різниці визначається значимістю числа з найменшою кількістю десяткових знаків. Так, при додаванні чисел 28,3; 5,1 та 0,46 значимість суми визначається недостовірністю числа 5,1, тому її значення 33,88 слід заокруглити до десятих: 33,9. Числа, які містять степені, перетворюють, зводячи показники степенів доданків до найбільшого. Наприклад, при додаванні чисел 6,0·10–2 і 2,5·10–3 їх потрібно звести до чисел одного (другого) порядку, тобто представити як 6,0·10–2 і 0,25·10–2 . Найменшу кількість десяткових знаків (один) має перший доданок. Тому в результаті (6,25·10–2 ) слід залишити один десятковий знак: 6,2·10–2 . Множення та ділення. Для оцінки значимості добутку (або частки) зазвичай користуються таким правилом: кількість значущих цифр у добутку чисел (або частці) 81 визначається їх кількістю у числі з найменшою 7 кількістю значущих цифр. Наприклад: 2,56 / 2,3 = 1,1130. ≈ 1,1; 0,004 / 2,34 = 0,01709... ≈ 0,02; 2,4

Піднесення до степеня. При піднесенні числа до степеня відносна недостовірність результату збільшується у число разів рівне показнику степеня. Наприклад, при піднесенні до квадрату вона подвоюється, до кубу – потроюється. Кількість значущих цифр при піднесенні до квадрату не збільшується. Наприклад: 1,22 = 1,44 ≈ 1,4. Отримання квадратного кореня. Відносна недостовірність результату отримання кореня вдвічі менша відносної недостовірності підкореневого виразу, тому в деяких випадках після отримання кореня кількість значущих цифр збільшується. Наприклад, 2,00 = 1,414 . В отриманому результаті недостовірним є третій знак після коми (відносна недостовірність числа 2,00 становить 1·10–2, а результату – 1·10– 2/2≈0,005). Значущих десяткових знаків у результаті на один більше, ніж у підкореневому виразі.

Логарифмування. При логарифмуванні кількість значущих цифр у дробовій частині мантиси (кількість значущих десяткових знаків) дорівнює кількості значущих цифр у не степеневій частині числа, що стоїть під знаком логарифма. Наприклад, ℓg0,1·10–2=– 3,0 (один значущий десятковий знак), ℓg0,10·10–2=–3,00 (два значущі десяткові знаки), ℓg3,13·10–2=–1,504. Абсолютна недостовірність логарифма приблизно в 2,5 рази менша відносної недостовірності числа під логарифмом. Наприклад, якщо логарифм відомий з точністю 1·10–2 , то відносна похибка величини під знаком логарифма не менша, ніж 2,5·10–2 . При розрахунку антилогарифмів у не степеневій частині результату залишають стільки значущих цифр, скільки значущих десяткових знаків було у виразі під знаком антилогарифма (у показнику степеня). При цьому кількість значущих цифр зазвичай зменшується. Наприклад, antℓg10,23 =1010,23= 1,698...·1010 ≈ 1,7·1010; antℓg (–5,7) = 10–5,7 = 1,995...·10–6 ≈ 2·10–6 (жирним шрифтом виділено значущі цифри)

Класифікація помилок у кількісному аналізі Під час проведення хімічного аналізу не обмежуються одиничним визначенням, а виконують, як правило, декілька паралельних визначень для одного й того ж зразка за однакових умов. Середній результат паралельних визначень називається результатом аналізу і позначається х або с. Відхилення результату аналітичного визначення від істинного значення ( µ ) вимірюваної величини називається похибкою визначення. За характером та походженням похибки поділяють на три групи: промахи - це грубі похибки, які значно змінюють результат аналізу. Причиною промахів є порушення методики аналізу, некомпетентність аналітика та недбалість у роботі. Промахи практично не можливо виправити; випадкові похибки - невизначені за знаком і величиною і практично не передбачені. Ці похибки можуть бути компенсовані додатковим числом паралельних визначень. Випадкові похибки впливають на відтворюваність аналітичного визначення. Відтворюваність характеризує ступінь наближення результатів одиничних визначень або ж відхилення окремих результатів відносно середнього арифметичного. Відтворюваність встановлюють за допомогою статистичної обробки результатів визначень; систематичні похибки - постійні за знаком і приблизно одинакові за величиною.

Для встановлення похибки визначення (вимірювання) розраховують абсолютну і відносну похибку визначення (вим рювання). Абсолютна похибка Δ визначається як різниця між справжнім результатом х (дає викладач) та одержаним значенням у: ∆=х спр –у знайд. Відносна похибка розраховується як відношення абсолютної похибки до справжнього значення. Відносна похибка не має знака. Ці похибки можуть бути передбачені і попереджені за допомогою порівняння результатів аналізу кількома різними методами, використання стандартних зразків (еталонів).