Електрогравіметричний метод аналізу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩІЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Реферат

з хімічних методів у біології

на тему:

«Електрогравіметричний метод аналізу»

Виконав:

студент 4 курсу

групи 4122-2б

Кононенко Іван

м. Запоріжжя

2015р

План

Вступ

1. Електрогравіметричний метод аналізу

2. Апаратура

3. Метрологічні та аналітичні характеристики

4. Метод внутрішнього електролізу

Висновок

Вступ

Електрохімічні методи аналізу - група методів кількісного хімічного аналізу, заснованих на використанні електролізу.

Різновидами методу є електрогравіметричний аналіз (електроаналіз), внутрішній електроліз, контактний обмін металів (цементація), полярографічний аналіз, кулонометрія та ін. Зокрема, електрогравіметричний аналіз заснований на зважуванні речовини, що виділяється на одному з електродів. Метод дозволяє не лише проводити кількісні визначення міді, нікелю, свинцю та ін., Але і розділяти суміші речовин.

Крім того, до електрохімічним методам аналізу відносять методи, засновані на вимірюванні електропровідності (кондуктометрія) або потенціалу електрода (потенціометрія). Деякі електрохімічні методи застосовуються для знаходження кінцевої точки титрування (амперометричне титрування, кондуктометричне титрування, потенціометричні титрування, кулонометричне титрування).

кулонометрія електроліз полярографічний метал

1. Електрогравіметричний метод аналізу

Електрогравіметрія - найстаріший електрохімічний метод аналізу, відомий з 1684 року. В даний час він застосовується тільки для визначення міді та аналізу мідних сплавів, які містять олово, свинець, кадмій і цинк. Будучи безеталоним методом, Електрогравіметрія по правильності та відтворюваності результатів перевершує інші методи визначення цих елементів. Однак на проведення аналізу потрібно багато часу і метод вважають застарілим.

Електрогравіметричний метод аналізу заснований на електролітичному виділенні металів і зважуванні отриманого на електроді осаду металу. При цьому метал може бути виділений як в елементарній формі на катоді в результаті електровідновного процесу, так і у вигляді оксиду на аноді в результаті електроокисного процесу.

Метод застосовується для визначення головним чином металів (0,1--99%) в рудах, а сплавах кольорових металів - міді, нікелю, цинку, кадмію, свинцю та ін. В якості джерела постійного струму використовують акумулятори й випрямлячі. Різниця потенціалів вимірюють за допомогою вольтметрів, силу струму - за допомогою амперметрів. Електроліз прискорюється при нагріванні і перемішуванні розчинів. Основними перевагами електрогравіметрічному методу є висока точність і простота необхідної апаратури.

Метод заснований на вимірюванні маси речовини, яка виділяється в процесі електролізу на попередньо зваженому електроді, зазвичай платинової сітці. Електроліз можна проводити або при постійній силі струму, або при постійному потенціалі. Якщо задану величину потенціалу електрода контролювати за допомогою потенціостата, то можна роздільно відокремити компоненти суміші. Висока селективність методу стає ясна з рівняння Нерста: для десяти - кратної зміни концентрації визначуваного компонента потенціал електрода потрібно змінити всього лише на 0,059 В / п. І отже, якщо умовою кількісного поділу компонентів суміші вважати зниження вихідної концентрації в, то при рівності вихідних концентрацій поділ однозарядних іонів можливо при різниці формальних потенціалів порядку 0,3 В, а двозарядних іонів - 0,1 В. Так, послідовно визначення компонентів мідного сплаву можна проводити при електролізі нейтрального щавлевої - кислого розчину: при -0,2 В на катоді виділяється тільки мідь, якщо після зважування електрода підвищити потенціал до -0,4 В, то почнеться осадження вісмуту, а при -0,6 В осадження свинцю. Якщо розчин після виділення міді, вісмуту і свинцю підкислити, то оксалатний комплекс олова зруйнується і при -0,65 В можна виділяти олово.

Є цікавий варіант гравіметрії, званий методом мимовільного (внутрішнього електролізу). Електроліз проводять без використання зовнішнього джерела напруги, тобто за рахунок мимовільної хімічної реакції в гальваністичному елементі. Метод трудомісткий, але простий і при правильному виборі анода дозволяє проводити ряд селективних визначень. Так, на платиновому катоді в парі з мідним анодом в розчині сульфату міді можна визначати срібло у присутності міді, заліза, нікелю та цинку.

Відомо два варіанти електрогравіметричних методів аналізу:

1. Виділення речовини відбувається на електроді під дією джерела постійного струму. Це найбільш поширений метод застосовується при визначенні макрокількість речовини.

2. Метод внутрішнього електролізу. Менш поширений, застосовується при визначенні мікрокількість речовини. У цьому варіанті постійний струм виникає при зануренні в розчин гальванічної пари. Джерело постійного струму не потрібно.

2. Апаратура

Для підтримки постійної різниці потенціалів в процесі електролізу застосовують реостати різних конструкцій, або спеціальні автоматичні прилади. Різниця потенціалів зазвичай вимірюють за допомогою вольтметрів, включених паралельно електродів в ланцюг джерела постійного струму.

В якості джерел постійного струму в електроаналізу використовують свинцеві або лужні акумулятори. Для перетворення змінного струму в постійний застосовують випрямлячі. Силу струму, що протікає через розчин, вимірюють за допомогою амперметрів, включених в ланцюг послідовно.

Електроліз сильно прискорюється при перемішуванні і підігріванні розчину. Перемішування розчину можна проводити, пропускаючи через нього повітря або азот, а також за допомогою мішалок різних конструкцій.

У електрогравіметрічному аналізі найчастіше застосовують платинові електроди. Для збільшення швидкості виконання аналізу їм надають, можливо, більш розвинену поверхню. У більшості випадків електроди виготовляють в ідеї сітчастих циліндрів, що вставляються один в іншій. Іноді застосовують сітчастий катод і згорнутий в спіраль анод, а також деякі інші типи електродів. Вони вживаються тому, що платина найкраще задовольняє вимогам, що пред'являються до матеріалу електродів в електрогравіметрічному аналізі.

Ці вимоги такі:

1) електроди не повинні розчинятися ні в процесі електролізу, ані внаслідок хімічної взаємодії з речовинами, присутніми в розчині, зокрема з кислотами;

2) утворюється при електролізі осад повинен щільно утримуватися на електроді;

3) електрод не повинен змінюватися при зберіганні на повітрі.

При електрогравіметрічних методах зазвичай застосовують платинові електроди (сітчастий катод і згорнутий в спіраль - анод).

При роботі з платиновими електродами слід дотримуватися наступних правил:

1. Для визначення металів, що утворюють при електроосадженні сплави з платиною (наприклад, Zn, Sn, In), платинові електроди попередньо покривають Cu і Cd, які легко віддаляються з поверхні катода.

2. Визначення не можна проводити в присутності іонів хлору, що руйнують, так як останні викликають помітне руйнування платинового електрода, що відбувається в процесі електролізу.

3. Для видалення продуктів електролізу з поверхні платинового електрода слід застосовувати азотну кислоту або суміш азотної та сірчаної кислот без домішки соляної кислоти, щоб виключити можливість утворення царської горілки, енергійно руйнує платину. Для видалення двоокису свинцю з поверхні анода застосовують розведене (1: 1) соляну кислоту, яка не повинна містити домішки азотної кислоти. Очистку анода в цьому випадку проводять на холоду.

4. При електроваговим визначенні ртуті не можна видаляти виділилася ртуть шляхом обробки електрода азотною кислотою, так як частина платини втрачається, а поверхня катода стає рихлою і непридатною для електроваговим визначень. Для видалення ртуті з поверхні катода рекомендується нагрівати його тривалий час у муфельній печі. При цьому ртуть з поверхні платини випаровується, а катод залишається чистим, не рихлим і придатним для подальших визначень. Цю операцію необхідно проводити у витяжній шафі з потужною вентиляцією, щоб уникнути отруєння парами ртуті.

У процесі роботи з платиновими електродами можна торкатися руками тих частин, які занурюються в розчин електроліту. Електроди беруть руками за їх верхні частини на відстані 1 - 2 см від кінця. Кінці електродів закріплюють в затиску електротримачі: анод (спіраль) - до позитивного полюса (+); катод - до негативного (-).

При установці катода його підводять знизу і закріплюють в затиску держателя так, щоб анод проходив точно через центр сітчастого циліндра і не торкався його поверхні. Кінчик спіралі повинен трохи виступати з-під сітчастого катода.

Електроліз найчастіше проводять при постійному струмі. Для отримання постійного струму зазвичай використовують випрямляч змінного струму або батарею акумуляторів. Ковзуюий контакт дозволяє регулювати подаване напругу, яка вимірюють вольтметром (V). Сила струму контролюється амперметром (А).

При виділенні металів катод зазвичай виготовляють з платинової сітки, анод - з платинової спіралі або пластинки. При виділенні оксидів знаки електродів змінюються: платинова сітка стає анодом, а спіраль - катодом. Розчин перемішується механічною або магнітною мішалкою.

3. Метрологічні та аналітичні характеристики

Електрогравіметрію застосовують для визначення металів, що дають щільні опади на електроді, що не обсипаються при промиванні, висушуванні і зважуванні. Крім того, електрогравіметрію застосовують тільки в тих випадках, коли осадження визначається металу не супроводжується соосаджування інших металів або домішок.

При електролізі катіони переміщаються до катода, виділяючись на ньому у вигляді металів. Тільки далеко метали осідають на аноді. До них відносяться, наприклад, і, що окислюються в процесі електролізу до і.

Електроди, застосовувані в електрогравіметрічному аналізі, повинні відповідати наступним вимогам:

1) бути хімічно інертними;

2) добре утримувати утворюються опади;

3) мати можливо меншу масу і можливо більшу поверхню;

4) не перешкоджати перемішуванню розчину.

Всім цим вимогам найбільшою мірою задовольняють платинові сітчасті електроди. Анодом, в більшості випадків, служить платинова дріт, зігнута в спіраль.

Для проведення електрогравіметричного аналізу дві платинових електрода занурюють у склянку з аналізованих розчином, під'єднують електроди до зовнішнього джерела струму і проводять електроліз. При проходженні струму через розчин електроліту відбуваються процеси відновлення та окислення відповідних речовин на електродах. Зв'язок між кількостями речовин, що беруть участь в електродних процесах, і кількістю електрики (Q) через ланцюг за час електролізу t при струмі I встановлюється двома законами Фарадея:

Перший закон Фарадея: маса речовини, відновленого на катоді або окисленого на аноді, пропорційна кількості електрики, котрий пройшов розчин або розплав.

Другий закон Фарадея: одне і те ж кількість електрики відновлює або окисляє на електродах маси різних речовин, прямо пропорційні їх хімічним еквівалентів.

Кількість електрики, що витрачається на виділення одного еквівалента, називають постійної Фарадея і позначають буквою F.

F = 96487 Кл / моль

У електрогравіметричних методах аналізу крім потенціалу та сили струму важливо контролювати ряд експериментальних умов.

Платинові електроди. Внаслідок високої вартості платинових електродів їх замінюють танталовими, вольфрамовими, срібними, нікелевими, графітовими та іншими. Можна застосовувати катоди з нержавіючої сталі і аноди зі свинцю, заліза, нікелю.

Напруга. Практично напруга при електролізі доводиться підтримувати вище напруги розкладання. Надмірне напруження, яке необхідно створити на даному електроді, щоб нормально протікав електроліз, називають перенапруженням. Перенапруження пояснюється протіканням на поверхні електродів і в безпосередній близькості до них складних фізико-хімічних процесів.

Умови електролізу повинні бути вибрані так, щоб відбувалося виділення тільки одного металу, а не суміші будь - яких металів.

При електроаналізі, велике значення має характер виділяється осаду. Для отримання правильних результатів аналізу опади, виділені в результаті електролізу, повинні відповідати таким вимогам:

1. Осад повинен бути чистим і не містити сторонніх домішок. Найбільш чистими опадами є дрібнокристалічне.

2. Осад повинен володіти гарним зчепленням з поверхнею електрода. Якщо осад погано зчіплюється з поверхнею електрода, то при подальшій обробці, промиванні, висушуванні і зважуванні електрода частина осаду може бути втрачена і результати аналізу будуть неточними.

3. Склад відкладеного на електроді речовини не повинен змінюватися під дією кисню повітря. При деяких умовах електролізу (високої щільності струму) отримують дрібнокристалічне, але пористі опади з дуже розвиненою поверхнею. Такі опади легко окислюються. Наприклад, при електролітичному осадженні міді з аміачних розчинів при високій щільності струму метал утворює на поверхні катода губчастий порошкоподібний осад, легко окислюється на повітрі в процесі сушіння. Результати визначення в цьому випадку виходять підвищеними.

Фізичні фактори, що впливають на властивості осаду:

Осад повинен міцно прилипати до електрода, бути щільним і гладким, щоб при промиванні, висушуванні і зважуванні не відбувалося механічних втрат або взаємодії з навколишнім середовищем. Хороші металеві опади є дрібнозернистими і мають металевий блиск. Губчасті, порошкоподібні або лускаті опади менш чисті і гірше пристають до електрода.

Якщо в процесі електролізу виділяється газ, зазвичай виходить губчастий і нерівномірний осад. Для усунення його впливу в розчин вводять так звані деполяризатори і контролюють потенціал катода. Наприклад, для запобігання виділення водню при електрогравіметричному визначенні міді в розчин вводиться азотна кислота (деполяризатор). На катоді відбувається відновлення нітрату до нітриту або до амоній - іона замість виділення водню.

Найчастіше електроліз ведуть при досить високих щільності струму. Однак, використання надмірно високих густин струму небажано, оскільки можуть бути отримані нерегулярні опади з низькою міцністю. Звичайно проводять електроліз при щільності струму від 0,01 до 0,1.

Під час електролізу зазвичай розчин перемішують для зменшення концентраційної поляризації і експериментально вибирають оптимальну температуру для кожного конкретного випадку.

Хімічні фактори, що впливають на властивості осаду:

1. Вплив рН. Від величини рН розчину залежить можливість виділення визначуваного металу на електроді. Ретельний контроль рН дозволяє інколи проводити кількісне розділення катіонів. Наприклад, в кислих розчинах з малими значеннями рН мідь легко відокремити від нікелю, кадмію та цинку, для виділення, яких потрібно нейтральна або лужна середу.

2. Вплив комплексоутворюючих речовин. Експериментально встановлено, що при виділенні з розчинів комплексних сполук багато металів утворюють більш гладкі або більш щільно прилеглі опади. Найкращі металеві поверхні часто отримують електролізом розчинів, що містять великі кількості ціанід - іонів або аміаку.

Зміна рН і введення в розчин комплексоутворюючих добавок вельми істотно позначаються на величині потенціалу, а це істотно може вплинути на виділення того чи іншого металу, а також на поділ металів при їх сумісній присутності.

Поділ металів методом електролізу можливо, якщо їх стандартні електродні потенціали розрізняються на 0,2 - 0,3 В. Цей критерій дозволяє за значеннями стандартних електродних потенціалів передбачити можливість поділу будь-якої заданої пари іонів. Наприклад, срібло можна виділити в присутності, але не можна відокремити від ртуті.

4. Метод внутрішнього електролізу

Електрогравіметричний аналіз іноді можна виконати в на коротко замкнутому гальванічному елементі. При цьому не потрібно зовнішнього джерела струму, оскільки осад виділяється за рахунок енергії гальванічного елемента.

Якщо в розчин солі аналізованого металу опустити дві платівки (електроди) - одну платинову, а іншу - з якого-небудь більш електронегативного металу, ніж визначається, і замкнути їх поза розчину металевим провідником, то по ланцюгу почне протікати електричний струм. Знаходяться в розчині іони металу розряджаються на катоді (платині), утворюючи осад металу. Процес починається з виділення більш електропозитивні з знаходяться в розчині металів.

При наявності в розчині катіонів декількох металів, підібравши відповідні аноди (алюміній, цинк, кадмій, залізо, свинець), вдається точно відокремити деякі елементи один від одного.

Наприклад, відділення міді від цинку можна проводити в нейтральному середовищі застосувавши як анода нікель, так як в цьому середовищі, або в аміачної середовищі в присутності титрату амонію, використовуючи в якості анода алюміній, так як і в цьому випадку.

Висновок

Електрогравіметрія знаходиться на стику електрохімічного і гравіметричного методів аналізу.

Основними перевагами електрогравіметріческого методу є простота необхідної апаратури і висока точність: похибка визначення становить 0,1-0,2%. Обмеженням методу є його застосовність до відносно невеликого числа елементів, необхідність порівняно великих змістів визначених речовин, а також тривалість аналізу.

Размещено на Allbest.ru