Гравиметрия: принцип действия и основные правила
Гравиметрический анализ является разделом аналитической химии, в котором количественное определение элементов производится посредством взвешивания. Он основан на следующем принципе: определяемый элемент отделяется в виде осадка точно определенного состава; осадок фильтруется, затем высушивается до постоянного веса, после чего взвешивается. Кальцинирование осадков в биохимическом анализе применяется довольно редко.
Осаждение должно быть количественным, причем оно осуществляется добавлением соответствующего реактива, образующего с анализируемым элементом нерастворимое соединение. Реактив добавляется по каплям и всегда в избытке, для того, чтобы быть уверенным, что осаждение произошло количественно. Конец осаждения устанавливается добавляя к прозрачному раствору, получаемому после осаждения образовавшегося осадка еще 2–3 капли вызвавшего осаждение реактива. Если после некоторого промежутка времени не наблюдается появление даже незначительной мутности, осаждение считается оконченным.
Фильтрация является операцией, с помощью которой можно механически отделить твердое тело от жидкого или же осадок находящийся в каком-либо растворе. Для этой цели применяются фильтры, изготовляемые из различных материалов: бумаги, пористого стекла, асбеста и др. Поры применяемых фильтров должны быть меньше размера частиц образующих осадок. В клинических лабораториях фильтрация осадков осуществляется обычно через количественную фильтровальную бумагу, характеризующуюся тремя размерами пор: весьма малые (синяя лента), малые (белая лента) и более крупные (черная лента). Размер фильтра выбирается в зависимости от количества осадка, который необходимо профильтровать, а не по количеству раствора, в котором находится осадок.
В основном используются кружки фильтровальной бумаги размером 10–12 см. Скорость фильтрации зависит от величины пор фильтра, температуры фильтруемой жидкости, а также от формы воронки и способа установки фильтра на воронке. Наиболее часто применяемые воронки характеризуются углом конуса 60 °, диаметром верхнего отверстия 6 или 7 см, длиной сточной трубки 10 или 15 см С внутренним диаметром 3–4 мм, причем несколько ниже верхушки конуса на воронке имеется сужение. Конец сточной трубки имеет косой срез. Во время фильтрации кончик среза должен соприкасаться со стенками сосуда, в который стекается фильтрат, однако не погружаясь в раствор. Образуемый фильтром конус должен точно прилегать к конусу воронки, причем край фильтра должен находиться на 1 см ниже края воронки. После того как сухая фильтровальная бумага уложена в воронку, ее увлажняют дистиллированной водой и надавливают пальцами, с тем, чтобы она плотно прилегала к воронке, не образуя каналов или воздушных пузырьков между стеклянной поверхностью и бумагой. Жидкость должна стекаться в виде непрерывной струи, без воздушных пузырьков.
Фильтрация начинается лишь после того, как осадок осел на дно стакана. Для этого носик стакана или край пробирки опирается на стеклянную палочку, послужившую для взбалтывания во время осаждения, таким образом, чтобы раствор стекался вдоль стеклянной палочки в воронку на стенки конуса, а не непосредственно в верхушку конуса, образуемого фильтровальной бумагой. Фильтр не заполняется до края фильтруемым раствором, а на 0,5 см ниже, для того, чтобы предупредить попадание осадка на стенки воронки, выше фильтровальной бумаги за счет капиллярной силы жидкости.
После сцеживания раствора, осадок переносится на фильтр дистилированной водой или промывочным раствором. Для этого, стеклянную палочку необходимо положить горизонтально на основание стакана или пробирки, затем левой рукой берут сосуд и стеклянную палочку, а в правой руке держат пипетку (или промывалку), из которой выдуванием нагнетают струю промывочной воды, маневрируя пипетку (промывалку) указательным пальцем, для того, чтобы стенки сосуда были обрызганы по всей окружности, а именно таким образом, чтобы жидкость увлекла за собой весь осадок. Остатки осадка, приставшие к стенкам сосуда или пробирки, снимаются стеклянной палочкой. Эта стеклянная палочка имеет круглые концы, которые образуются в результате оплавливания в пламени, причем на одном конце на палочку надета резиновая муфта длиной 15–20 мм.
Иногда весьма мелкие частицы проходят через поры фильтров, вызывая помутнение отфильтрованного раствора. В подобных случаях, фильтрация повторяется 2–3 раза на том же фильтре, пока отфильтрованный раствор не станет прозрачным.
Промывание осадков проводится с целью удаления жидкости, в которой производилось осаждение, а также веществ адсорбированных осадком. Промывание производится непосредственно после фильтрации, гак как промыть высохшие осадки не представляется возможным. В качестве жидкости для промывания применяются дистиллированная вода, органические растворители (спирт, эфир и др.) или смесь воды со спиртом.
Промывочная жидкость всегда используется в небольших количествах, повторяя промывание несколько раз. Промывание считается законченным когда реакция образца показывает, что находившиеся в осадке примеси шли полностью удалены.
Сушка осадка может производиться в следующих условиях:
а) При обычной температуре в вакууме: осадки обезвоженные прозванием спиртом и затем эфиром могут быть высушены при обычной температуре в эксикаторе, оснащенном боковой трубкой для вакуума.
б) При постоянной температуре 105–110° в сушильных шкафах, подогреваемых газом или электрическим током. Продолжительность сушки может колебаться от 30 минут до одного часа. Поскольку используемая для фильтрации количественная фильтровальная бумага весьма гигроскопична, во время взвешивания ее вес изменяется. В целях устранения этого недостатка, в клинических лабораториях обычно поступают следующим образом: на аналитических весах уравновешиваются два кружка количественной фильтровальной бумаги. Затем они гофрируются и вкладываются один в другой. Осадок фильтруется, промывается, затем фильтры с осадком вкладываются в сушительный шкаф для сушки при 105–110°.
После этого фильтры вкладываются на 10–15 минут в эксикатор с безводным хлористым кальцием для охлаждения до комнатной температуры. Затем фильтры отделяются и кладутся отдельно на тарелку весов, причем пустой фильтр служит в качестве тары. С помощью уравновешивания разновесами можно непосредственно определить вес осадка.
Аналитические весы. Правила взвешивания
Аналитические весы необходимы как для гравиметрического, так и для волюметрического анализа. Не будем здесь описывать конструкцию аналитических весов, а приведем лишь только некоторые правила их пользования:
1. Весы должны устанавливаться на столе, прикрепленном к стене, причем должны быть исключены любые колебания. Они должны находиться в отдельном помещении, вне связи с источниками газов, паров или иных корродирующих веществ. Вместе с тем, весы необходимо охранять от пыли и ударов. Ежемесячно пыль следует удалять, применяя для этой цели мягкую щеточку.
2. В нерабочее время ножи должны быть подняты с опор, во избежание излишнего износа за счет трения.
3. Для взвешивания открываются только боковые дверцы, для того, чтобы дыхание не оказывало влияния на колебания.
4. Выключение блокировочной системы осуществляется медленно и осторожно, поворачивая кнопку управления.
5. После выключения блокировочной систем необходимо наблюдать за колебаниями стрелки. Если разница между колебаниями в обе стороны превышает 1/2 деления, весы блокируются снова и регулируются с помощью винта, расположенного на шкале, над рычагом или у его концов.
6. Для весов со свободным колебанием установление нулевой точки (точки равновесия) производится следующим образом: если шкала, перед которой двигается стрелка пронумерована от 0 до 20, стрелку оставляют колебаться, причем отмечается пять последовательных отсчетов, из которых при расчете исключаются первые два колебания. Например:
влево: 5,7; 6,0; 6,3; средняя = 6,0
вправо : 14,8; 14,6; 15; средняя 14,8
Так как средние значения колебаний влево и вправо составляют 6,0, соответственно 14,8, то точка равновесия: 10,4.
На весах новейших типов с амортизаторами колебаний, стрелка устанавливается после нескольких колебаний либо у нулевого деления, если весы находятся в равновесии, или – в противном случае – справа или слева. На таких весах определение нулевой точки уже не является необходимым, а нужно только их точно отрегулировать.
7. Аналитические весы должны обладать чувствительностью по меньшей мере 0,1 мг. Под чувствительностью подразумевается груз необходимый для перемещения нулевой точки весов на одно деление шкалы. Для определения чувствительности поступают следующим образом: после установления нулевой точки на правую тарелку кладут разновес в один мг и затем нулевая точка определяется снова.
Если этот груз вызывает смещение нулевой точки, например, с 10,4 на 5,4 т.е. смещение происходит на 5 делений, одно деление соответствует 1/5 = 0,2 мг, следовательно, весы обладают чувствительностью в ± 0,2 мг.
8. Следует однако отметить, что чувствительность весов изменяется в зависимости от веса груза, а именно снижается с увеличением последнего. Поэтому рекомендуется определить чувствительность весов при различных грузах.
9. Перед тем как взвешиваемый предмет или разновес кладут или снимают с весов, весы следует всегда блокировать.
10. Разновесы кладут всегда последовательно в нисходящем порядке до сантиграмма, причем их всегда берут пинцетом. Затем шкаф весов закрывается, а рейтар передвигается до тех пор, пока не достигается уравновешивание. На весах новейшей конструкции, оптическая шкала которых градуирована в мг, разновес добавляется лишь только по 1 г, а более мелкий разновес добавляется на соответствующем грузам рычаге с помощью вращения специальных винтов. Эти весы следует точно отрегулировать, а деления шкалы проверяются по отношению к разновесу.
11. Вещества взвешиваются всегда лишь в закрытых флаконах с притертой пробкой или на часовом стекле.
12. Для особо точных взвешиваний необходимо исключить погрешности, связанные с неравностью коромыслов весов. Для этого применяется метод двойного взвешивания (Гаусс). Соответствующий предмет взвешивается повторно, один раз на правой тарелке, а затем на левой. Таким образом получается вес gx и g2. Рассчитывая среднее значение, получается точный вес (G) соответствующего предмета.
13. Ежегодно следует чистить все подвижные детали весов. Имея в виду, что эта работа требует опыта и умения, рекомендуется, чтобы чистка весов проводилась совместно с проверкой разновеса специалистом метрологической службы.
