Măsurarea gravimetrică a concentrației de praf din aer

1. Metoda gravimetrică - generalităţi

Gravimetria cuprinde metodele de analiza cantitativă care, pentru determinarea unuia sau a mai multor constituenţi dintr-o probă, utilizează separarea acestora (cu un reactiv specific) sub forma de compuşi greu solubili (precipitate).

Precipitatul se prelucrează în aşa fel încât :

- să fie pur;

- să fie adus la o formă stabilă de compoziţie bine definită;

- masa să rămână constantă.

Într-o determinare cantitativă, la separarea constituenţilor, se iau în vedere mai multe condiţii:

- separarea să fie practic completă astfel încât cantitatea de constituent analizat rămasă în soluţie să fie mai mică sau cel mult egală cu sensibilitatea balanţei;

- substanţa cântărită să posede o compoziţie bine definită şi să fie pură.

Un capitol separat al gravimetriei îl formează electrogravimetria care utilizează electroliza pentru separarea constituentului analizat, ce este depus pe un electrod care se cântăreşte înainte şi după electroliză.

Metodele gravimetrice presupun o succesiune de operaţii dintre care cele mai importante sunt următoarele :

• pregătirea substanţei pentru analiza şi luarea probei;

• aducerea probei în soluţie;

• precipitarea;

• filtrarea şi spălarea precipitatelor;

• uscarea şi calcinarea precipitatelor;

• cântărirea;

• calcularea rezultatelor.

a ) Pregătirea substanţei pentru analiza şi luarea probelor

Analizele se execută cu cantităţi de substanţă mai mici sau mai mari, numite probe separate din masa de material analizat.

Pregătirea substanţelor în vederea analizei se face în mod diferenţiat în funcţie de natura lor şi de scopul urmărit în analiză. Analiza tehnică urmăreşte obţinerea unei probe care să reprezinte cât se poate de exact compoziţia medie a masei de material analizat.

În primul caz, pregătirea substanţei pentru analiză constă în îndepărtarea impurităţilor prin diverse mijloace, în al doilea caz se procedează la analiza materialului în starea existentă.

Precizia analizelor tehnice depinde în mare măsură de modul de colectare a probelor şi de mărimea lor. Dacă materialele analizate sunt gaze, soluţii sau substanţe solide omogene de granulaţie mică, luarea probei nu prezintă dificultăţi; condiţia care se pune este ca proba să conţină o cantitate suficientă din componentul ce urmează să fie determinat. Luarea probelor din materialele neomogene se face în aşa fel încât conţinutul lor să corespundă conţinutului mediu al materialului şi în acest caz, se pune problema luării de probe medii. Prelucrarea acestor materiale presupune în primul rând omogenizarea lor şi reducerea dimensiunilor particulelor ce le alcătuiesc (prin sfărâmare , prin mojarare etc.).

Mărimea probei de analiză depinde de:

- compoziţia materialului analizat;

- conţinutul procentual al constituentului ce se determină;

- compoziţia şi structura precipitatului obţinut.

Cantitatea de precipitat obţinută trebuie să permită o filtrare rapidă, o eliminare cât mai completă a impurităţilor prin spălare. Când se lucrează cu precipitate cristaline, mărimea probei de analiză poate fi cu mult mai mare decât în cazul precipitatelor coloidale.

Pe o rondelă de hârtie de filtru cu diametrul de 7 cm se filtrează uşor o cantitate corespunzătoare la 0.5000g precipitat cristalin (volum mic) iar pentru precipitate coloidale (volum mare) acesta se reduce la 0.1000g forma cântărită.

b ) Aducerea probelor în soluţie

Efectuarea unei analize chimice se poate realiza pe probe solide, lichide sau în stare de gaz, utilizând metode adecvate. Cea mai mare parte dintre metodele de analiză necesită aducerea în soluţie a probelor prin dizolvarea lor cu diverşi solvenţi.

În determinările cantitative se cere ca procedeul de aducere în soluţie a probelor să nu includă pierderi de material analizat şi să nu introducă noi specii chimice, greu de îndepărtat.

Aducerea în soluţie a probelor se face cu diverse substanţe (în stare lichidă sau solidă) numite dizolvanţi (solvenţi) care se aleg în funcţie de compoziţia şi structura materialelor ce se dizolvă având grijă ca excesul de dizolvant să nu împiedice mersul ulterior al analizei. În practica analitică cuvântul „greu solubil” se referă la insolubilitatea în apă. Utilizând diverşi agenţi de dizolvare (acizi, baze, complexanţi, topituri) aproape toate substanţele pot fi aduse în soluţie. În mod obişnuit, dizolvarea este operaţia prin care un material (element, substanţa compusă, aliaj, minereu) este solubilizat cu ajutorul unui dizolvant, amestecuri de dizolvanţi lichizi, sau amestecuri de dizolvant reactiv, la temperaturi obişnuite sau la temperaturi de fierbere a soluţiilor.

Prin dezagregare se înţelege, aducerea în soluţie a diverselor materiale greu solubile prin topire cu diverşi fondanţi la temperatură ridicată. În aceste condiţii au loc procese chimice profunde care transformă materialul respectiv într-un produs uşor solubil. Aducerea în soluţie a substanţelor greu solubile în apă se poate realiza cu acizi, cu baze, cu agenţi de complexare. Substanţele care nu sunt solubile în apă, acizi sau baze se aduc în soluţie prin topire cu ajutorul fondanţilor la temperaturi ridicate.

Fondanţii sunt substanţe solide care amestecate intim cu proba şi încălzite până la topirea amestecului, realizează mijloace mai energice de atacare, favorizând trecerea în soluţie a probei. Fondanţii pot avea:

- caracter bazic (carbonatul de sodiu, carbonatul de potasiu, oxizi de sodiu şi de potasiu, peroxizii alcalini, boraxul);

- caracter acid (acidul oxalic, sulfatul acid de potasiu, pirosulfatul de potasiu);

- caracter oxidant (peroxizii alcalini, azotatul de potasiu, cloratul de potasiu);

- caracter reducător (cărbunele, sulful, cianura de potasiu );

- caracter sulfurant (sulfurile metalelor alcaline şi de amoniu, polisulfurile metalelor alcaline şi de amoniu).

c ) Precipitarea

Operaţia prin care constituentul analizat este trecut într-o formă greu solubilă (precipitat) în mediul de reacţie se numeşte precipitare. Reactivii utilizaţi pentru obţinerea de precipitate sunt denumiţi precipitanţi. Precipitatul poate fi un element, dar în majoritatea cazurilor este o substanţă compusă (hidroxizi, săruri).

Precipitatele utilizate în analiza cantitativă trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

- să fie practic insolubile;

- să corespundă unei anumite structuri morfologice, care să permită o filtrare rapidă şi o spălare de impurităţi practic completă;

- să posede sau să se transforme într-un produs cu o compoziţie bine definită, cu formula cunoscută;

- prin calcinare sau uscare să capete o formă stabilă, de compoziţie cunoscută;

- conţinutul componentului analizat în precipitat trebuie să fie cât mai mic posibil, astfel erorile ce intervin în determinare să devină neînsemnate.

În determinările gravimetrice se aleg acele precipitate, care în condiţii optime de lucru, pot fi practic insolubile, adică precipitatele pentru care cantitatea dizolvată nu este mai mare decât eroarea admisă la cântărire (sensibilitatea balanţei).

Pentru stabilirea condiţiilor optime de precipitare este necesar să se cunoască echilibrele ce au loc în reacţia de precipitare şi modul cum aceste echilibre se deplasează, în funcţie de diverşi factori ce le influenţează.

Solubilitatea unui precipitat este măsura cantităţii reacţiei de precipitare şi ea depinde în primul rând de natura precipitatului, exprimată prin produsul de solubilitate, precum şi de condiţiile de lucru (complexanţi, diverse săruri, procese redox, concentraţia ionilor hidroniu, natura dizolvantului etc.).

Produsul de solubilitate (Ps) al unui electrolit este egal cu produsul concentraţiilor ionilor componenţi în soluţie saturată. La o anumită temperatură, produsul de solubilitate are o valoare constantă. O substanţă precipită atunci când produsul concentraţiilor ionilor săi este mai mare sau cel mult egal cu produsul de solubilitate.

Solubilitatea substanţelor se poate exprima în mai multe moduri:

- solubilitatea în g/l de soluţie (Sg);

- solubilitatea în moli/litru de soluţie sau solubilitate molară (Sm);

Relaţia dintre solubilitatea molară şi solubilitatea în grame este: