GRAVIMETRIJSKE METODE ANALIZE

---

Gravimetrijske metode analize zasnivaju se na mjerenju mase tvari koja se tokom analize izdvaja u obliku teško topljivog taloga poznatog kemijskog sastava. Iz mase dobivenog taloga, uz poznavanje stehiometrije kemijske reakcije, izračuna se količina tražene komponente.

Reakcija taloženja i nastali talog moraju zadovoljavati određene uvjete da bi mogli poslužiti za gravimetrijsko određivanje:

1. Reakcija taloženja mora biti kvantitativna, odnosno, količina određivane komponente zaostala u otopini mora predstavljati zanemarljiv dio u odnosu na njenu ukupnu količinu ili biti manja od 0.1 mg koliko iznosi osjetljivost analitičke vage
2. Nastali talog se mora lako kvantitativno odijeliti od tekućine i lako isprati od ostataka otapala, taložnog reagensa i topljivih primjesa
3. Nastali talog mora imati takva svojstva da se dade prevesti u čisti spoj određenog stehiometrijskog sastava koji se za vrijeme vaganja ne mijenja (ne smije biti higroskopan i ne smije reagirati s atmosferom)

 

Uvjeti kvantitativnog taloženja

Pod taloženjem podrazumjevamo izdvajanje neke komponente iz otopine u obliku teško topljivog spoja. Uzimamo da je taloženje nekog taloga kvantitativno kada je masa iona zaostalih u otopini manja od 1×10^-4 g (0.1 mg) koliko iznosi osjetljivost analitičke vage. Dodatkom zajedničkog iona smanjuje se topljivost taloga pa se stoga taložni reagens dodaje u suvišku. Kako veliki suvišak taložnog reagensa može povećati topljivost taloga zbog povećanja ionske jakosti ili stvaranja kompleksa preporuča se suvišak reagensa od 1×10^-2 do 5×10^-2 mol dm^-3.

Postupak gravimetrijskog određivanja sastoji se od sljedećih operacija:

• taloženje
• filtriranje i ispiranje
• sušenje ili žarenje
• vaganje
• računanje rezultata analize

 

Taloženje

Taloženje je proces stvaranja taloga. Talog nastaje kada umnožak koncentracija kationa i aniona taloga bude veći od konstante produkta topljivosti. Za vrijeme taloženja, uvjeti u otopini moraju biti tako podešeni da talog bude što pogodnijeg oblika i što manje onečišćen.

Kod taloženja moramo nastojati dobiti krupnozrnasti talog koji se lako filtrira i ispire. To se postiže taloženjem iz toplih razrijeđenih otopina polaganim dodatak reagensa uz stalno miješanje.

Kristalinične taloge ostavimo neko vrijeme, u otopini iz koje su istaloženi (matična otopina), stajati na toplom mjestu (starenje taloga). Tokom procesa starenja taloga dolazi do otapanja manjih i rasta većih čestica na račun otopljenih.

Želatinozne taloge koji naginju adsorpciji (površinsko onečišćenje) ili okluziji (unutrašnje onečišćenje) treba filtrirati tople odmah nakon taloženja ili ih nakon filtriranja otopiti i ponovo istaložiti (dvostruko taloženje).

Koloidni talozi su čestice tvari u otopini koje imaju veličinu između 1 - 200 nm. Koloidni talozi se ne mogu odijeliti filtriranjem jer su im čestice premalene i prolaze kroz pore filtar papira. Koloidne čestice se povećanjem temperature ili povećanjem koncentracije elektrolita udružuju u veće agregate - koaguliraju. Ako se elektrolit ispere s koaguliranog taloga ovaj će ponovo prijeći u stanje koloidne otopine - peptizirati. Zbog toga se takav talog ispire s otopinom nekog isparljivog elektrolita (amonij-nitrat).

Taloženje obavljamo paralelno u dvije čaše, a nakon završenog taloženja volumen tekućine ne bi trebao prelaziti polovicu volumena čaše. Miješanje se obavlja staklenim štapićem koji, kad se jednom stavi, više ne vadi se iz otopine. Čaša s talogom se prokrije satnim stakalcem.

Taložiti možemo na dva načina: izravnim taloženjem ili taloženjem u homogenoj otopini.

Izravno taloženje provodi se tako da otopinu taložnog reagensa dodajemo izravno u otopinu uzorka kap po kap uz snažno miješanje kako bi se smanjilo lokalno prezasićenje otopine. Reagens dodajemo sve dok se stvara talog, što se provjerava na način da se u bistru otopinu iznad taloga doda 1-2 kapi reagensa. Ako se otopina zamućuje znači da taloženje nije potpuno pa moramo dodati još reagensa. Nakon završetka taloženja dodamo malu količinu reagensa u suvišku.

Taloženje u homogenoj otopini provodi se tako da se u otopinu uzorka doda tvar iz koje kemijskom reakcijom (hidrolizom) naknadno nastaje taložni reagens. Reagens je stoga jednoliko raspoređen u cijeloj otopini pa ne nastaju lokalna prezasićenja, i kao posljedica toga je da su kristali veći a talog čistiji nego u slučaju izravnog taloženja. Najpoznatiji reagens za taloženje u homogenoj otopini je urea koja hidrolizira prema reakciji.

Na temperaturi od 90 - 100 °C reakcija je dovoljno brza a može se postići pH otopine oko 9.3.

 

Filtriranje

Filtriranje u gravimetrijskoj analizi je operacija kojom se talog kvantitativno odvaja od tekućine u kojoj je suspendiran, propuštanjem suspenzije preko nekog filtra. Filtar je izrađen od materijala koji zadržava talog a propušta tekućinu.

Kao sredstvo za filtriranje u kemijskoj analizi se upotrebljavaju: filtarski papiri i lončići za filtriranje, a ponekad se talog odvaja od otopine centrifugiranjem. Filtarski papir upotrebljavamo za taloge koji se ne reduciraju djelovanjem ugljika nastalog spaljivanjem filtar papira. Kvantitativni papir za filtriranje je od čiste celuloze obrađene kloridnom i fluoridnom kiselinom. Takav papir izgara praktički bez ostatka (zaostaje manje od 0.0001 g pepela). Ovisno o karakteru taloga upotrebljavaju se različite vrste kvantitativnog papira za filtriranje:

• crna vrpca (5891) - upotrebljava se za filtriranje želatinoznih taloga
• bijela vrpca (5892) - upotrebljava se za filtriranje krupnozrnastih kristaliničkih taloga
• plava vrpca (5893) - upotrebljava se za filtriranje finokristaliničkih taloga

Brzina filtriranja ovisi o načinu umetanja filtar papira u ljevak.

Filtarski papir se presavije na polovicu (1), a zatim ponovo na polovicu (2), ali tako da se rubovi četvrtina ne preklope potpuno (b). Vanjski dvostruki ugao otrgnemo (c) čime se postiže bolje priljeganje papira na stijenku ljevka i onemogućava ulazak zraka u ljevak. Ovako savijeni papir se uz ljevak priljubi samo svojim gornjim rubom a sav ostali prostor kao i cijev ljevka moraju biti ispunjeni tekućinom (prisutnost zraka u ljevku usporava filtriranje).

 

Ljevak s uloženim papirom postavi se na stalak za filtraciju, a ispod ljevka stavi se čaša u koju će se skupljati filtrat. Štapić se prisloni na filtarski papir, na mjestu gdje je on trostruk, i preko njega se (da tekućina ne bi prskala ili se sljevala niz čašu, čime bi mogli izgubiti dio taloga) najprije odlije bistra tekućina iznad taloga. Mora se paziti da nivo tekućine u ljevku bude najviše 0.5 cm ispod ruba papira (ako se prelije rub papira, može se izgubiti određena količina taloga na stijenkama ljevka).

Kada je gotovo sva tekućina iznad taloga odlivena, promijeni se čaša za hvatanje filtrata, čime se izbjegava ponovno filtriranje cijelog volumena otopine ako nam slučajno talog prođe kroz filtar. Talogu u čaši se doda nekoliko mililitara otopine za ispiranje, talog se uzmuti, a zatim pusti da se slegne i bistra tekućina odlije. To je prethodno ispiranje taloga. Taj postupak treba ponoviti dva do tri puta. Nakon toga se pomoću mlaza otopine za ispiranje iz boce štrcaljke talog prenese iz čaše u ljevak.

Talog zaostao na stijenkama čaše i štapića pokupi se komadićem filtarskog papira, prenese u ljevak i poslije zajedno s ostalim talogom spali.

Talog se treba kvantitativno prenijeti na filtar, tj. ne smije ostati u čaši, niti se smije prosuti, ni najmanja zamjetljiva količina taloga.

Talog na filtru treba ispirati da bi uklonili zaostatke matične otopine i adsorbirane nečistoće. Otopinu za ispiranje taloga izabiremo prema prirodi taloga (ovisno o topljivosti, o tome da li je talog kristaličan ili se sastoji od koaguliranih koloidnih čestica, da li hidrolizira i sl.) Otopina za ispiranje ne smije otapati talog, niti smiju nastati kemijske promjene u sastavu taloga za vrijeme ispiranja. Talog se ispire mlazom otopine iz boce štrcaljke, tako da se mlaz tangencijalno usmjeri ispod ruba papira, a iznad ruba taloga uz kružno pokretanje mlaza.

Tekućinu za ispiranje treba dodavati u malim obrocima. Sljedeći obrok se dodaje tek kada je predhodna otopina potpuno istekla iz ljevka. Talog se ispire dok se potpuno ne odstrane nečistoće. Najčešće se ispire do negativne reakcije na kloride tako da se iz ljevka uhvati na satno stakalce kap tekućine i doda kap otopine AgNO₃. Ako nastane bijeli talog AgCl znak je da u otopini ima klorida tj. da talog nije ispran. Nastavi se ispirati sve dok se talog AgCl više ne stvara.

 

Sušenje i žarenje

Ispran talog treba ili osušiti ili žariti prije vaganja. Da li je potrebno sušenje ili žarenje ovisi o svojstvima taloga i o tome kroz koje je filtracijsko sredstvo filtriran.

Sušenje je dovoljno samo za one taloge koje je moguće vagati u obliku u kojem su istaloženi. Talogom se suši u električnom sušioniku na propisanoj temperaturi (obično od 105 do 130 °C) do konstantne mase.

Talozi koji se ne mogu vagati u obliku u kojem su istaloženi potrebno je žarenjem prevesti u pogodan oblik.

Taloge žarimo u porculanskom ili platinskom lončiću na temperaturi od 800 °C do 1200 °C, ovisno o vrsti taloga, u električnim pećima. Čisti lončić potrebno je prethodno žariti na istoj temperaturi na kojoj će se i talog žariti, ohladiti i vagati. Prije žarenja treba filtar papir spaliti na plameniku jer u električnoj peći, bez dovoljne količine zraka, filtar papir nepotpuno izgara do ugljik(II)-oksida i elementarnog ugljika, a ne do ugljik(IV)-oksida.

U odvagani lončić stavljamo filtarski papir s talogom i to tako da papir uhvatimo prstima na dijelu gdje je trostruki, izvadimo iz ljevka, preklopimo gornji dio papira i smotani papir stavimo u lončić. Lončić postavimo na keramički trokut kao što je prikazano na slici. Najprije oprezno sušimo papir, grijući lončić slabim plamenom kako bi iz papira i taloga uklonili vodu. Kad se papir osuši počinje njegovo pougljenjivanje. Plamen se malo pojača, ali se mora paziti da se papir ne zapali. Stoga za vrijeme spaljivanja filtarskog papira treba stalno držati satno stakalo u ruci i ako se papir zapali treba odmah satnim staklom poklopiti lončić i ugasiti plamen. Kad sav papir pougljeni, grijemo lončić jakim plamenom da izgori sav ugljik.

Lončić s talogom stavljamo u električnu peć i žarimo do konstantne mase. Ako je peć užarena, ne smijemo hladan lončić odmah staviti u peć već ga predhodno moramo zagrijati. Nakom žarenja lončić se izvadi iz peći. Užareni lončić se nikad direktno ne stavlja u eksikator, nego na metalnu ploču pored peći da se ohladi. Još vrući lončić stavi se u eksikator i ohladi na sobnu temperaturu.

 

Vaganje

Eksikator s toplim lončićem prenesemo u vagaonu i ostavimo pokraj vage. U eksikatoru se lončić s talogom ohladi na sobnu temperaturu i tek tada se pristupi vaganju. Eksikator se uvijek prenosi na način da se istovremeno pridržavaju i tijelo i poklopac eksikatora.

Važemo pažljivo. Na istoj analitičkoj vagi na kojoj smo vagali prazan lončić važemo i lončić s talogom nakon žarenja, odnosno sušenja.

Najprije se provjeri, odnosno podesi nul-točka, na način da vagu lagano otkočimo, pri čemu se osvijetli optička skala, i pošto se kazaljka smiri, očitamo nul-točku pomoću nonija. Nakon utvrđivanja nul-točke stavimo predmet na lijevu zdjelicu, a utege na desnu zdjelicu vage. Desetinke grama dodajemo pomoću posebnih dugmeta što pokreću odgovarajuće mehanizme za spuštanje utega. Kada se skala pokaže u vidnom polju, desetice i jedinice miligrama očitamo neposredno na skali, a desetinke miligrama pomoću nonija, tako da potražimo liniju nonija koja se poklapa s nekom od linija skale.

 

 

 

Računanje rezultata analize

Zadatak: Iz 1.0758 g željezne rude nakon otapanja, taloženja i žarenja dobiveno je 0.1632 g Fe₂O₃. Izračunajte maseni udio željeza (u postotcima) u rudi.

M(Fe) = 55.84 g/mol;

M(Fe₂O₃) = 159.68 g/mol

Rješenje:

Do istog rezultata došlo bi se množenjem mase dobivenog taloga s brojem koji predstavlja masu traženog sastojka u jednom gramu taloga - s gravimetrijskim faktorom (vrijednosti se mogu naći u tablicama) a koji za prevođenje Fe₂O₃ u Fe iznosi:

Maseni udio željeza u analiziranoj rudi iznosi 10.60 %.

 

Literatura:

1. Vogel, A. I., Quantitative Inorganic Analysis, Longman, London, 1975.
2. Eškinja, I.; Šoljić, Z., Kvalitativna anorganska analiza, Tehnološki fakultet Zagreb, 1992.
3. Šoljić, Z., Osnove kvantitativne kemijske analize, Tehnološki fakultet Sveučilišta u Zagrebu, Zagreb 1991.
4. Princhard, F. E., Quality in the Analitycal Chemiistry Laboratory, John Wiley & Sons, New York, 1997.
5. Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J.: Osnove analitičke kemije, Školska knjiga, Zagreb, 1999.
6. Filipović, I., Sabioncello, P., Laboratorijski priručnik, Tehnička knjiga, Zagreb, 1988.