Что такое количественный анализ?

Количественный анализ является одним из важных процессов в химии. Он используется для определения массового процента, т.е. для определения массы каждого присутствующего элемента. Его также можно определить как метод, используемый для определения количества химических веществ в образце. Массовый процент важен, чтобы найти молекулярную и выразительную формулу.

Процент элементов, присутствующих в органическом соединении, можно определить следующими методами:

Углерод и водород (метод Либиха)

Если мы сжигаем органическое соединение в присутствии избытка кислорода и оксида меди, углерод и водород в соединении окисляются до углекислого газа и воды соответственно.

C _x H _y + (x + y) / 4 O ₂ → x CO ₂ + (y / 2) H ₂ O

В описанном выше процессе вода и углекислый газ, образующиеся при окислении, поглощаются безводными растворами хлорида кальция и гидроксида калия, присутствующими в обеих U-образных трубках. Этот процесс дает количества воды и углекислого газа, из которых рассчитывается процентное содержание углерода и водорода.

Примем массу органического соединения за мг, массу образовавшейся воды и углекислого газа за m ₁ г и m ₂ г соответственно.

Итак, Процент углерода = (12 × m ₂ × 100) / (44 × m)

и Процент водорода = (2 × m ₁ × 100) / (18 × m)

Азот (метод Дюма и метод Кьельдаля)

Процентное содержание азота можно получить двумя способами, а именно:

1. Метод Дюма
2. метод Кьельдаля

Dumas method: The organic compound containing nitrogen when heated with copper oxide in carbon dioxide, gives free nitrogen with carbon and water.

C_xH_yN_z + (2x + y/2) CuO → xCO₂ + y/2 H₂O +z/2 N₂ + (2x + y/2)Cu

Если образуются оксиды азота, их восстанавливают до азота при пропускании газовой смеси через нагретую медную сетку и собирают в верхней части трубки. Все такие образующиеся газы (оксиды азота) переводятся в раствор КОН, который их поглощает.

Аналогично предыдущему методу,

Пусть, мг = масса органического соединения,

V ₁ мл = объем собранного азота,

T1K = комнатная температура.

Итак, объем азота при нормальных условиях (стандартная температура и давление) = (p ₁ V ₁ × 273) / (760 × T ₁ )

куда,

• p ₁ = давление азота,
• V ₁ = Объем азота.

Здесь давление отличается от атмосферного давления в месте сбора азота. Таким образом, значение p ₁ получается соотношением

p ₁ = атмосферное давление – давление воды

V мл N ₂ при СТП = (28 × V/ 22400) × г

Итак, процент азота = (28 × V × 100) / (22400 × m)

Kjeldahl’s method: The compound containing nitrogen is heated with concentrated H₂SO₄ (Sulphuric acid) which results in conversion of nitrogen compound to ammonium sulphate. The resulting acid mixture after the heating is then again heated with sodium hydroxide and ammonia gas is liberated. This liberated ammonia gas is absorbed in an excess of standard solution of Sulphuric acid. The amount of ammonia produced is determined by estimating the amount of sulphuric acid consumed in the reaction and the amount of sulphuric acid consumed is determined by the amount of sulphuric acid left unreacted (by titration with standard alkali solution).

Compound + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ → (in presence of 2NaOH) 

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Позволять,

• мг = масса органического соединения
• V мл = объем H2SO4 молярности M
• V1 мл = объем NaOH молярности M (для титрования)

V ₁ мл NaOH с молярностью M = V _1/2 мл H ₂ SO ₄ = V ₁ мл

Неиспользованный объем H ₂ SO ₄ молярности M = (V – V ₁ /2) мл

(V – V1/2) мл H ₂ SO ₄ молярности M = 2(V -V _1/2 ) мл раствора NH ₃ молярности M.

1000 мл 1М раствора NH ₃ содержат 17 г NH3 или 14 г N

2(VV ₁ /2) мл раствора NH ₃ молярностью M = [(14 × M × 2(V – V _1/2 )/1000)] г N

Итак, процент N = [(14 × M × (V – V1/2))/1000] × (100/м)

N = 1,4 × M × 2 (V — V1/2)/м

Недостатки метода Кьельдаля

1. Не применимо к соединениям, содержащим азот в нитро- и азогруппах,
2. Неприменимо для азота, присутствующего в форме пиридина (кольцо).

галогены

Carius Method: A certain mass of an organic compound is heated with fuming nitric acid in presence of  silver nitrate contained in hard glass tube known as Carius tube and carbon and hydrogen present in compound are oxidized in carbon dioxide and water. The halogen present mix with the corresponding silver to form its halide (AgX) which is then filtered, dried and measured.

Позволять,

• мг = масса органического соединения
• m ₁ г = масса образовавшегося AgX (галогенида серебра)

При этом 1 моль образовавшегося AgX содержит 1 моль X.

Масса галогена в м ₁ г AgX = (атомная масса X × m ₁ г) / молекулярная масса AgX

Процент галогена = (атомная масса X × m ₁ × 100) / молекулярная масса AgX × m

Сера

We again use the Carius tube in which we take a certain mass of an organic compound and heat it with sodium peroxide of fuming nitric acid. Sulphur present in the compound is oxidized to sulphuric acid. Then we need to add excess of barium chloride solution in water to precipitate the product as barium sulphate. The precipitate is filtered, dried, cleaned and measured.

Позволять,

• мг = масса органического соединения,
• m ₁ г = масса образовавшегося сульфата бария

1 моль BaSO ₄ = 233 г BaSO ₄ = 32 г серы

m ₁ г BaSO ₄ содержит 32 × m ₁ г / 233 серы

Процент серы = 32 × m ₁ × 100 / 233 × m

Фосфор

Некоторую массу органического соединения нагревают с дымящей азотной кислотой, при этом присутствующий в соединении фосфор окисляется до фосфорной кислоты. При добавлении аммиака и молибдата аммиака он осаждается в виде фосфомолибдата аммония (NH ₄ ) ₃ PO ₄ .12MoO ₃ или, альтернативно, фосфорная кислота может быть осаждена в виде MgNH ₄ PO ₄ путем добавления смеси магнезии, которая при прокаливании дает Mg ₂ P ₂ O ₇ .

Позволять,

• мг = масса органического соединения,
• m ₁ г = масса молибдата фосфата аммония

Молярная масса (NH ₄ ) ₃ PO ₄ .12MoO ₃ = 1877 г.

Процент фосфора = (31×м ₁ ×100/1877×м) %

Если вместо фосфора взять Mg ₂ P ₂ O ₇ то,

Процент фосфора = (62×m ₁ ×100/222×m) %

куда,

• 222 u = молярная масса Mg ₂ P ₂ O ₇
• m = масса взятого органического соединения
• m ₁ = масса Mg ₂ P ₂ O ₇
• 62 = масса двух атомов фосфора, присутствующих в соединении Mg ₂ P ₂ O ₇ .

Кислород

Каждое органическое соединение содержит определенный процент кислорода. Процентное содержание кислорода можно рассчитать по разнице или общему процентному содержанию элементов, включая кислород (100 %), и сумме всех других элементов, присутствующих в соединении.

В качестве альтернативы кислород может выделяться в результате химической реакции следующим образом:

Некоторая масса органического соединения разлагается при нагревании в токе газообразного азота. Смесь газообразных продуктов, содержащих кислород, пропускают над раскаленным коксом, когда весь кислород превращается в монооксид углерода. Эту смесь пропускают через теплую пятиокись йода (I ₂ O ₅ ), когда окись углерода окисляется до двуокиси углерода, что приводит к образованию йода.

Органическое соединение → (При наличии тепла) O ₂ + Другие газы

2С + О ₂ → 2СО ₂

I ₂ O ₅ + 5СО → I2 + 5СО ₂

Здесь мы понимаем, что каждый моль выделившегося кислорода даст 2 моля углекислого газа.

Таким образом, если выделяется 32 г кислорода, то получается 88 г углекислого газа.

Позволять,

• мг = масса органического соединения
• m ₁ г = масса выделившегося углекислого газа

m ₁ г диоксида углерода получают из (30×m/88×m)%

Процент кислорода может быть получен из количества произведенного йода.

Примеры проблем

Задача 1. При полном сгорании 0,456 г органического соединения дает 0,254 г углекислого газа и 0,1658 г воды. Определите процентный состав углерода и водорода в соединении.

Решение:

Percentage of carbon = (12×0.254×100)/(44×0.456) 

∴ Percentage of  carbon = 15.1914 %

and Percentage of Hydrogen = (2×0.1658×100)/(18×0.456)

∴Percentage of Hydrogen = 4.03 %

Задача 2: В методе Дюма для определения азота 0,3 г органического соединения давали 50 мл азота, собранного при температуре 300 К и давлении 715 мм. Рассчитайте процентное содержание азота в соединении. (Напряжение водной среды = 15 мм)

Решение:

Given :

• Volume of nitrogen = 50mL
• Temperature = 300 K
• Pressure = 715 mm
• Actual pressure = 715 – 15 = 700 mm

Volume of Nitrogen at STP = (273×700×50)/(300×760) = 41.9 mL,

22,400 mL of N₂ at STP weighs 28 g 

41.9 mL of Nitrogen weighs = (28×41.9)/22400 g 

∴Percentage of Nitrogen = 17.46 %.

Задача 3. В методе Кариуса для определения галогена 0,20 г органического соединения дают 0,16 г AgBr (бромида серебра). Найдите процентное содержание брома в соединении.

Решение:

Molar mass of AgBr = 108 + 80 =188 g mol^-1 

188 g AgBr contains 80 g bromine,

0.16 g AgBr contains (80×0.16)/ 188 g bromine,

Percentage of bromine = (80×0.16×100)/( 188×0.20)

∴ Percentage of bromine = 34.04 % 

Задача 5: При оценке серы 0,210 г органического соединения дают 0,5101 г сульфата бария. Каково процентное содержание серы в соединении?

Решение:

Molecular mass of BaSO₄ = 137+32+64 = 233 g,

233 g BaSO₄ contains 32 g sulphur,

0.5010 g BaSO₄ contains (32×0.5010)/233 g sulphur,

Percentage of sulphur = (32×0.5010×100)/(233×0.210) 

∴Percentage of sulphur = 32.76 %

Задача 5: При оценке азота, присутствующего в органическом соединении по методу Кьельдаля, аммиак выделился из 0,8 г соединения при оценке азота по Кьельдалю, нейтрализованного 20 мл 1 М H ₂ SO ₄ . Найдите процентное содержание азота в соединении.

Решение:

1M of 20 mL H₂SO₄ = 1M of 40 mL,

NH₃ 1000 mL of 1M ammonia contains 14 g of nitrogen,

40 mL of 1M ammonia contains (14×40)/1000,

Percentage of nitrogen = (14×40×100)/(1000×0.8),

∴Percentage of Nitrogen = 70.0%  

Концептуальные вопросы

Вопрос 1: Объясните, что происходит в методе Либиха.

Отвечать:

The water and carbon dioxide formed on oxidation are absorbed by anhydrous calcium chloride and potassium hydroxide solutions present in both of the U-shaped tubes. This process gives the amounts of water and carbon dioxide from which the percentage of carbon and hydrogen are calculated.  

Вопрос 2: Укажите и дайте определение методам количественного анализа азота.

Отвечать:

There are 2 methods to do the quantitative analysis of Nitrogen and they are :

1. Dumas Method : The organic compound containing nitrogen when heated with copper oxide in carbon dioxide, gives free nitrogen with carbon and water.
2. Kjeldahl’s method : The compound containing nitrogen is heated with conc. H₂SO₄ which results in conversion of nitrogen to ammonium sulphate. The mixture is then again heated with sodium hydroxide and ammonia gas is liberated. This gas is absorbed in an standard solution of Sulphuric acid.