A kvantitatív elemzés az analitikai kémia nagy része, amely lehetővé teszi egy objektum mennyiségi (molekuláris vagy elemi) összetételének meghatározását. A kvantitatív elemzés széles körben elterjedt. Az ércek összetételének meghatározására (tisztulási fokuk felmérésére), a talajok, növényi objektumok összetételének meghatározására szolgál. Az ökológiában kvantitatív elemzési módszerek határozzák meg a víz, a levegő és a talaj méreganyag-tartalmát. Az orvostudományban a hamis gyógyszerek kimutatására használják.
A kvantitatív elemzés problémái és módszerei
A kvantitatív elemzés fő feladata az anyagok mennyiségi (százalékos vagy molekuláris) összetételének megállapítása.
A probléma megoldásának módjától függően számos kvantitatív elemzési módszer létezik. Három csoportja van:
- Fizikai.
- Fizikai-kémiai.
- Vegyi.
Az elsők az anyagok fizikai tulajdonságainak – radioaktivitás, viszkozitás, sűrűség stb. – mérésén alapulnak. A kvantitatív elemzés leggyakoribb fizikai módszerei a refraktometria, röntgenspektrális és radioaktív analízis.
A második az analit fizikai-kémiai tulajdonságainak mérésén alapul. Ezek a következők:
- Optikai - spektrofotometria, spektrális elemzés, kolorimetria.
- Kromatográfia - gáz-folyadék kromatográfia, ioncsere, eloszlás.
- Elektrokémiai - konduktometrikus titrálás, potenciometrikus, coulometriás, elektrosúlyelemzés, polarográfia.
A módszerek listájában szereplő harmadik módszerek a vizsgált anyag kémiai tulajdonságain, kémiai reakciókon alapulnak. A kémiai módszerek a következőkre oszthatók:
- Súlyelemzés (gravimetria) – pontos mérés alapján.
- Térfogatelemzés (titrálás) - a térfogatok pontos mérésén alapul.
A kvantitatív kémiai elemzés módszerei
A legfontosabb a gravimetriás és a titrimetrikus. Ezeket a kémiai kvantitatív elemzés klasszikus módszereinek nevezik.
Fokozatosan a klasszikus módszerek átadják a helyét az instrumentális módszereknek. Azonban továbbra is ők a legpontosabbak. Ezen módszerek relatív hibája mindössze 0,1-0,2%, míg a műszeres módszereknél 2-5%.
Gravimetria
A gravimetriás kvantitatív analízis lényege a kérdéses anyag tiszta formájában történő izolálása és annak mérlegelése. Kiválasztás gyakrabbanmindezt csapadékkal hajtják végre. Néha a meghatározandó komponenst illékony anyag formájában kell beszerezni (desztillációs módszer). Így meg lehet határozni például a kristályos hidrátok kristályvíztartalmát. A kicsapásos módszer meghatározza a kovasavat a kőzetek feldolgozása során, a vasat és az alumíniumot a kőzetek, a kálium és a nátrium, valamint a szerves vegyületek elemzésénél.
Analitikai jel a gravimetriában – tömeg.
A gravimetriás kvantitatív elemzés módszere a következő lépéseket tartalmazza:
- A kérdéses anyagot tartalmazó vegyület kicsapása.
- A kapott keverék szűrése a csapadék kivonására a felülúszóból.
- A csapadék mosása a felülúszó és a szennyeződések eltávolítása érdekében a felületéről.
- Szárítás alacsony hőmérsékleten a víz eltávolítása érdekében, vagy magas hőmérsékleten, hogy az üledéket mérlegelésre alkalmas formává alakítsa.
- A keletkező üledék lemérése.
A gravimetriás kvantifikáció hátrányai a meghatározás időtartama és a nem szelektivitás (a kicsapó reagensek ritkán specifikusak). Ezért előzetes szétválasztásra van szükség.
Számítás gravimetriás módszerrel
A gravimetriával végzett kvantitatív elemzés eredményeit tömeghányadokban (%) fejezzük ki. A kiszámításhoz ismerni kell a vizsgált anyag tömegét - G, a keletkező üledék tömegét - m, valamint az F konverziós tényező meghatározására szolgáló képletet. A tömeghányad és a konverziós tényező kiszámítására szolgáló képletek az alábbiakban találhatók.
Kiszámíthatja az üledékben lévő anyag tömegét, ehhez az F konverziós tényezőt kell használni.
A gravimetrikus tényező egy adott vizsgálati komponens és gravimetrikus alakzat állandó értéke.
Titrimetrikus (térfogati) elemzés
A titrimetriás kvantitatív elemzés a reagensoldat térfogatának pontos mérése, amelyet a kérdéses anyaggal egyenértékű kölcsönhatáshoz elhasználnak. Ebben az esetben a használt reagens koncentrációja előre be van állítva. A reagens oldat térfogatát és koncentrációját figyelembe véve kiszámítjuk a kérdéses komponens tartalmát.
A "titrimetrikus" név a "titer" szóból származik, amely az oldat koncentrációjának kifejezésének egyik módjára utal. A titer azt mutatja, hogy hány gramm anyag van feloldva 1 ml oldatban.
A titrálás az a folyamat, amikor egy ismert koncentrációjú oldatot fokozatosan hozzáadunk egy másik oldat meghatározott térfogatához. Ezt addig folytatjuk, amíg az anyagok teljesen reakcióba lépnek egymással. Ezt a pillanatot ekvivalenciapontnak nevezik, és a mutató színének változása határozza meg.
Titrimetriás elemzési módszerek:
- Sav-bázis.
- Redox.
- Csapadék.
- Komplexometriai.
A titrimetriás elemzés alapfogalmai
A titrimetriás elemzésben a következő kifejezések és fogalmak használatosak:
- Titrant – megoldás,amelyet öntenek. Koncentrációja ismert.
- A titrált oldat olyan folyadék, amelyhez titrálószert adnak. Meg kell határozni a koncentrációját. A titrált oldatot általában a lombikba, a titrálót pedig a bürettába helyezik.
- Az ekvivalenciapont a titrálás azon pillanata, amikor a titrálószer ekvivalenseinek száma egyenlő lesz a kérdéses anyag ekvivalenseinek számával.
- Mutatók – az egyenértékűségi pont megállapításához használt anyagok.
Szabványos és működő megoldások
A titrantok szabványosak és működnek.
A standardokat úgy állítják elő, hogy egy adott anyagmintát egy bizonyos (általában 100 ml vagy 1 l) térfogatú vízben vagy más oldószerben feloldanak. Így megoldásokat készíthet:
- Nátrium-klorid NaCl.
- Kálium-dikromát K2Cr2O7.
- Nátrium-tetraborát Na2B4O7∙10H2 O.
- Oxálsav H2C2O4∙2H2 O.
- Nátrium-oxalát Na2C2O4.
- Borostyánkősav H2C4H4O4.
A laboratóriumi gyakorlatban a standard oldatokat fixanal segítségével készítik el. Ez egy bizonyos mennyiségű anyag (vagy oldata) egy lezárt ampullában. Ezt a mennyiséget 1 liter oldat elkészítésére számítják. A Fixanal hosszú ideig tárolható, mert nem jut levegőhöz, kivéve a lúgokat, amelyek reakcióba lépnek az ampulla üvegével.
Néhány megoldáslehetetlen precíz koncentrálással főzni. Például a kálium-permanganát és a nátrium-tioszulfát koncentrációja már az oldódás során megváltozik a vízgőzzel való kölcsönhatás miatt. Általában ezekre a megoldásokra van szükség a kívánt anyag mennyiségének meghatározásához. Mivel koncentrációjuk ismeretlen, ezért titrálás előtt meg kell határozni. Ezt a folyamatot szabványosításnak nevezik. Ez a munkaoldatok koncentrációjának meghatározása standardoldatokkal végzett előzetes titrálással.
Szabványosítás szükséges a megoldásokhoz:
- Savak - kénsav, sósav, salétromsav.
- Lúg.
- Kálium-permanganát.
- Ezüst-nitrát.
Jelző kiválasztása
Az ekvivalenciapont, azaz a titrálás végének pontos meghatározásához meg kell választani a megfelelő indikátort. Ezek olyan anyagok, amelyek a pH-értéktől függően változtatják színüket. Mindegyik indikátor megváltoztatja oldatának színét más pH-értéknél, ezt átmeneti intervallumnak nevezzük. Megfelelően kiválasztott indikátor esetén az átmeneti intervallum egybeesik a pH változásával az ekvivalenciapont tartományában, amelyet titrálási ugrásnak nevezünk. Ennek meghatározásához titrálási görbék felépítése szükséges, amelyekhez elméleti számításokat végzünk. A sav és a bázis erősségétől függően négyféle titrálási görbe létezik.
Számítások a titrimetriás elemzésben
Ha az ekvivalenciapont helyesen van meghatározva, a titrálószer és a titrált anyag egyenértékű mennyiségben, azaz a titráló anyag mennyiségével reagálnak.(ne1) egyenlő lesz a titrált anyag mennyiségével (ne2): ne1=n e2. Mivel az ekvivalens anyag mennyisége egyenlő az ekvivalens moláris koncentrációjának és az oldat térfogatának szorzatával, akkor aegyenlőség
Ce1∙V1=Ce2∙V2, hol:
-Ce1 – normál titráló koncentráció, ismert érték;
-V1 – a titráló oldat térfogata, ismert érték;
-Ce2 – a titrálható anyag normál koncentrációja, meghatározandó;
-V2 – a titrált anyag oldatának térfogata a titrálás során.
A titrálás után a következő képlet segítségével számíthatja ki a kérdéses anyag koncentrációját:
Ce2=Ce1∙V1/ V2
Titrimetriás elemzés végrehajtása
A titrálással végzett kvantitatív kémiai elemzés módszere a következő lépéseket tartalmazza:
- 0,1 n standardoldat készítése az anyag mintájából.
- Kb. 0,1 N munkaoldat elkészítése.
- A munkaoldat szabványosítása a standard megoldás szerint.
- A tesztoldat titrálása a munkaoldattal.
- Végezze el a szükséges számításokat.
