Способ сравнения с эталоном в химических методах количественного химического анализа вещества объекта анализа

Химический приём сравнения природы и количества частиц определяемого компонента с его названием (качественный анализ) и единицей измерения 1 моль (количественный анализ ) реализован в способе сравнения с эталоном единицы величины количества компонента путём проведения химической реакции, основанной на определённых химических свойствах определяемого компонента и отвечающей законам сохранения и определенным требованиям. В первую очередь, это законы постоянства химического состава, закон сохранения массы или количества компонента при химических взаимодействиях и закон эквивалентов.

Химические взаимодействия основаны на химических свойствах химических соединений. Для определения искомого компонента в пробе вещества проводят химическую реакцию, отвечающую определенным требованиям, и измеряют массу (методы гравиметрии) или объём (методы титриметрии) компонентов, участвующих в данной химической реакции. Количественные отношения получают, из закона постоянства химического состава и закона сохранения массы элементов (методы гравиметрии) или закона эквивалентов компонентов (методы титриметрии) для данной химической реакции.

Методы гравиметрии (закон сохранения массы элемента)

Способ сравнения с эталоном при проведении количественного анализа методом гравиметрии следующий. Проводят химическую реакцию с реагентом, вступающим в химическую реакцию с определяемым компонентом в строго определенных соотношениях (стехиометрично), и точно измеряют массу (аналитический сигнал) образующегося продукта реакции – гравиметрической формы, который одновременно служит веществом сравнения. Масса образующегося вещества сравнения привязана к международному эталону массы 1 кг, который хранят и воспроизводят аналитические весы, и молярной массе продукта реакции через число Авогадро, отражающего 1 моль частиц. Разновидности метода гравиметрии связаны с агрегатным состоянием образующегося продукта реакции – твердым, жидким или газообразным.

Методы титриметрии (закон эквивалентов)

Способ сравнения с эталоном при проведении количественного анализа методом титриметрии следующий. Проводят химическую реакцию определяемого компонента А, находящегося в растворе,с точно определённым количеством реагента – компонентом В, который тоже находится в растворе. Компонент В вступает в химическую реакцию с определяемым компонентом А без побочных реакций, без остатка, в строго определенных соотношениях (стехиометрично).

aA + bB = cC + dD

Стандартный или стандартизованный раствор компонента В, в терминах метрологии называется рабочим эталоном, в терминах аналитической химии – титрантом. Этот рабочий эталон (титрант) хранит и воспроизводит через международные эталоны массы (1 кг), длины (1 м) и число Авогадро, отражающего 1 моль частиц, концентрацию числа конкретных частиц – эквивалентов компонента В, моль/дм³.

Стандартный раствор титранта – рабочего эталона первого разряда числа частиц эквивалентов компонента В, готовят путём растворения в мерной колбе точно измеренной массы вещества сравнения. В качестве вещества сравнения может быть использован химический реактив соответствующей степени чистоты, содержащий компонент В в количестве более 99 %, или стандартный образец состава вещества, в котором содержание компонента В известно с наивысшей точностью.

Стандартизованный раствор титранта (рабочий эталон второго разряда) готовят путём установления его точной концентрации методом титриметрии, проведя химическую реакцию со стандартным раствором другого титранта, и применяя для расчетов концентрации стандартизованного раствора титранта закон эквивалентов.

Погрешность расчетного значения концентрации в стандартизованном растворе титранта выше, чем у стандартного раствора, так как при приготовлении стандартного раствора титранта используется два средства измерения (аналитические весы и мерная колба), а при установке концентрации стандартизованного раствора титранта используется пять средств измерений (аналитические весы, две мерных колбы, мерная пипетка и бюретка).

Разновидности метода титриметрии связаны с типом проводимой химической реакции. Тип реакции обусловлен химическими свойствами определяемого компонента. Это могут быть реакции нейтрализации, окисления-восстановления, комплексообразования, осаждения.

Реакция может быть переписана в условных частицах – эквивалентах, для которых стехиометрические коэффициенты для всех участников реакции равны единице:

1[ a/b A ] + 1 [ B ] = 1[ c/b C ] + 1[ d/b D ]

Здесь эквивалентом компонента А является условная частица [a/b A], эквивалентом компонента В является условная частица [B], эквивалентом компонента С является условная частица [c/b C], эквивалентом компонента D является условная частица [d/b D]. Условные частицы – эквиваленты устанавливаются для каждого типа химической реакции по своим правилам.

Физический смысл записи уравнения реакции через условные частицы – эквиваленты следующий: один моль эквивалентов компонента А реагирут с одним молем эквивалентов компонента В и образуетсяя по одному молю компонента С и D соответственно. В этом случае, согласно правилам математики, можно приравнять число частиц – эквивалентов n_э всех участников реакции друг другу:

n_э ( А ) = n_э (В) = n_э (С ) = n_э (D ),

что является математической записью закона эквивалентов.

Из этого закона следует, что если мы измерим число затраченных на реакцию частиц – эквивалентов эталона, следовательно, мы узнаем, сколько было частиц – эквивалентов определяемого компонента в пробе анализируемого вещества. Зная число частиц – эквивалентов определяемого компонента, мы можем вычислить его массу или его концентрацию.

Однако не существует способов измерения числа частиц как структурных образований (конкретных наименований атомов, изотопов, ионов, молекул). Прореагировавшие массы компонентов А и В такжене могут быть измерены, так как они находятся в растворе, к тому же в виде каких-либо химических соединений. Фактически могут быть измерены только объемы растворов компонентов А и В, израсходованные на реакцию. Поэтому для практического использования через измеряемые величины используют запись закона эквивалентов через объемы растворов компонентов, участвующих в конкретной реакции:

С_Мэ (А) V (А) _пип = С_Мэ (В) V (В) _э

отсюда

С_Мэ (А) = С_Мэ (В) V (В) _э / V (А) _пип;

где С_Мэ (А) ‑ молярная концентрация эквивалентовопределяемого компонента А, моль/дм³;

С_Мэ (В) ‑ молярная концентрация эквивалентовкомпонента В,моль/дм³ – титранта, выполняющего роль рабочего эталона числа частиц, который готовится по специальной процедуре при проведении химического анализа методом титриметрии;

V (B) _э. ‑ эквивалентный объём титранта B, затраченный на реакцию с определяемым компонентом и измеренный бюреткой, см^3, (аналитический сигнал);

V (А) _пип ‑ объём раствора, содержащего определяемый компонент А, отмеренный мерной пипеткой, см³.

Зная молярную концентрацию эквивалентов определяемого компонента А, можно рассчитать его массовую концентрацию С_m (A):

С_Мэ (А) = n_э (A) / V_м.к = m (А) / (M_э (А) V_м.к) = С_m (A) / M_э (А) _, моль/дм³;

отсюда

С_m (A) = С_Мэ (А) M_э (А), г/дм³