คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลพระนคร

iamworavith Asst.Prof.Dr.Woravith Chansuvarn

การวเคราะหโดยน าหนก Gravimetric method

Lasted update : April 2017

แผนการสอนและเรยนร

2

จดประสงคการเรยนร ค ำนวณสมดลของกำรละลำย อธบำยกระบวนกำรตกตะกอน บอกสำรทใชเปนตวตกตะกอน ค ำนวณกำรวเครำะหโดยกำรตกตะกอน

บทเรยน 3.1 การวเคราะหโดยน าหนก

การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบยอยรำยหนวย

การวเคราะหเชงปรมาณทอาศยการชงน าหนกของสารบรสทธทสมพนธเชงปรมาณกบสารทสนใจ

3

“Gravimetric methods are quantitative methods that are based upon determining the mass (weight) of a pure compound to which the analyte is related.”

Method 2540D ใน Standard Methods for the Examination of Waters and Wastewaters ยอมรบวธกำรวเครำะหสำรแขวนลอยทงหมดในน ำ (total suspended solids, TSS) โดยกำรตกตะกอน

Method 925.10 ใน Official Methods of Analysis (AOAC) ยอมรบวธวเครำะหควำมชนทงหมด (total moisture) ในแปง

ประเภทของการวเคราะหโดยน าหนก

1) การตกตะกอนดวยแรงโนมถวง (precipitation gravimetry) เปนการท าใหเกดตะกอนของสารทสนใจทอยในสารตวอยาง ตะกอนจะตกลงดวยแรงโนมถวงของโลก

2) การระเหย (volatilization) เปนการแยกสารทสนใจออกจากสวนผสมของตวอยางโดยการเปลยนใหอยในรปของแกสทองคประกอบทางเคมทแนนอน

3) การตกตะกอนดวยไฟฟา (electrogravimetry) เปนการใชกระแสไฟฟาเพอท าใหสารทสนใจไปยดตดกบขวอเลกโทรด

4

สมบตของตะกอน

ตองมกำรละลำยต ำ (low solubility) เพอใหกำรตกตะกอนสำมำรถเกดขนไดอยำงสมบรณ และไมสญเสยตะกอนขณะลำง ตองมควำมบรสทธสง (high purity) มขนำดใหญพอทจะกรองได (filterability) ตองไมเกดปฏกรยำและไมเปลยนแปลงคณสมบตทำงเคมในขณะเผำ (ignition) หรอท ำใหแหง (volatilization) ตองมสวนประกอบทำงเคมทแนนอนไมเปลยนแปลง รเอเจนตทท ำใหตกตะกอนควรมสมบตกำรเกดตะกอนกบสำรสนใจเทำนน

5

Precipitation method

based on addition of precipitant and isolation of an insoluble precipitate of know composition that related with analyte. a process of weighing an element in form of precipitates which is separated by filtration from solution.

6

Ba2+(aq) + SO42-(aq) BaSO4(s)

Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl(s)

AOAC : Method 920.199

วธกำรวเครำะหหำแคลเซยม (Ca2+) ในน ำธรรมชำต เปนวธทไดรบกำรรบรองจำก AOAC โดยใช C2O4

2- เปนสำรตกตะกอน และเผำตะกอน CaC2O4 เปน CaO

7

mass

Ca2+ + C2O42- CaC2O4(s)

CaC2O4(s) CaO(s) + CO(g) + CO2(g)

C CaC2O4

วธการทาใหระเหย (Volatilization)

เปนวธทใชกบสำรทสำมำรถระเหยกลำยเปนไอได นยมหำปรมำณไอน ำ (H2O) และ CO2

8

NaHCO3 + H2SO4 CO2 + H2O + NaHSO4

Skoog et al. (2014), p298

กำรหำปรมำณของ NaHSO4 ในเมดกรดมด (antacid tablet)

2NaOH + CO2 Na2CO3+ H2O

กระบวนการตกตะกอน

9

Nucleation or Growth

Precipitate

Filtration

Ignition or Calcination

Anion Cation

PbCrO4 NiDMG

Pb2+ + CrO42- Ni2+ + DMG

กระบวนการตกตะกอน

10

เตรยมตวอยำง ชงตวอยำง

กำรละลำยตวอยำง กำรตกตะกอน กำรยอยตะกอน

กำรกรอง กำรลำงตะกอน

กำรท ำตะกอนใหแหง กำรชงน ำหนกตะกอน

กำรค ำนวณ

Methods used in Gravimetric Analysis

11

Dissolve Precipitation Filtration

•a process of separating precipitates from the mother liquor •choice of filtering medium depends on nature of the precipitates and by cost factor.

•must be free from soluble impurities •must be insoluble in solution •must be easily separated from the solution by filtration •must be convertible into a pure compound by ignition

•Solid samples are dissolved by a suitable solvent

Methods used in Gravimetric Analysis

12

Washing Drying or ignition Weighing

• to remove all soluble impurities sticking with the precipitates.

•precipitates are dried (below 250°C) or ignited (above 250°C) depending on the nature of precipitates and on the filtering medium. - not react with precipitates

- not form any volatile product - easily volatile on ignition

Ignited sample is cooled for a few minutes and then kept in a desiccator to avoid moisture adsorption and then weighed on a chemical balance.

Precipitation requirement

Product needs to be : Insoluble (low Ksp) ขนกบชนดตะกอน Easily filterable (large particles) Unreactive Purity Known composition after dry or calcine

13

ขนกบกระบวนการตกตะกอน

กระบวนการเกดตะกอน

กำรเกดนวคลเอชน (nucleation)

กำรกอตวของอนภำค (particle growth)

สำรละลำย

นวคลไอ อนภำคคอลลอยด (colloid particle)

เกดกำรขยำยตวของนวคลไอเนองจำกไอออนบวกหรอไอออนลบของตะกอนทอยในสำรละลำยเขำรวมตวกบนวคลไอทผวดวยพนธะเคม

ตะกอน

นวคลเอชน

แผนผงกระบวนการเกดตะกอน

15

Ions in supersaturated solution (0.0001-0.001 um)

Nuclei

Colloidal particles (0.001-0.1 um)

Fine crystal (0.1-10 um)

Course crystal (>10 um)

Stabilized colloid

Crystalline aggregate Colloidal aggregate

16

http://www.chem.tamu.edu/class/majors/tutorialnotefiles/gravimetric.htm

17

ตะกอน

กลมกอนของคอลลอยด (colloidal aggregate)

กลมผลกเลก (crystalline aggregate)

ผลกใหญ (coarse aggregate)

สำรละลำยหมดควำมเปนสำรละลำยอมตวยวดยงอนภำค คอลลอยดจะคงตวอยในสำรละลำยเปนคอลลอยดทเสถยร

สำรละลำยคงเปนสำรละลำยอมตวยวดยงอยอก อนภำคคอลลอยดจะโตขนเปนผลกขนำดเลก

สำรละลำยคงเปนสำรละลำยอมตวยวดยงอยอกผลกเลกเหลำนจะโตขนเปนผลกขนำดใหญ

ขนาดอนภาคของตะกอน

colloidal suspension : อนภำคตะกอนทเลกทสด ไมสำมำรถมองเหนไดดวยตำเปลำ (id = 1-100 nm) ไมมแนวโนมรวมตวเปนตะกอน

crystalline suspension : อนภำคมขนำดใหญระดบมลลเมตรหรอใหญกวำ และมแนวโนมทจะรวมตวกนเปนตะกอนแยกออกจำกสำรละลำย ซงท ำใหสำมำรถแยกโดยกำรกรองไดงำย

ขนำดอนภำคของตะกอน จะแปรผนไปตำมกระบวนกำรตกตะกอน • กำรละลำยของตะกอน • อณหภม • ควำมเขมขนของรเอเจนตและสำรสนใจ • อตรำเรวของกำรผสมกนของรเอเจนต

18

Von Weimarn ratio

“ขนาดอนภาคของตะกอนจะมคาผกผนกบคาการอมตวยวดยงสมพทธ (relative supersaturation, RS) ของสารละลาย”

19

ขนาดของตะกอน ------- 1 RSS

RSS = ----------- Q – S S

Q = ความเขมขน (โมลาร) ของสารทตองการตกตะกอน S = คาการละลาย (molar solubility) ของตะกอนทสภาวะสมดล

เทอม Q-S คอกำรวดกำรอมตวยงยวดของตวถกละลำย

ถำ RSS มคำมำก จะมอตรำกำรเกดนวคลเอชนสง กอใหเกดเปนตะกอนทเกดจำกอนภำคเลกๆ จ ำนวนมำก

ถำ RSS มคำนอย ตะกอนจะเกดโดยกำรเตบโตของอนภำค (particle growth) มำกกวำ nucleation

(1) กำรลดควำมเขมขนของตวถกละลำย (Q) โดยกำรลด Q ท ำไดโดยกำรใชสำรตวอยำงทมควำมเขมขนเจอจำง กำรเตมตวตกตะกอนอยำงชำๆ และกำรกวนอยำงทวถง

(2) กำรเพมสภำพกำรละลำยของตะกอน (S) โดยกำรเพมอณหภมและกำรปรบคำ pH ของสำรละลำย

การลดขนาดของ RSS

ตวตกตะกอน (Precipitant)

21

ตวตกตะกอน (precipitant)

(precipitating agent)

สารอนนทรย (inorganic) ท ำใหเกดตะกอนของเกลอทละลำยไดยำก หรอ

สำรพวกออกไซด (oxide)

สารอนทรย (organic) สวนใหญจะเกดสำรเชงซอนแบบคเลต (chelate

complex)

ตวตกตะกอนอนนทรย

23

24

ตวตกตะกอนอนทรย

25

• สำรตกตะกอนทท ำใหเกดสำรเชงซอนทมกำรละลำยต ำ เชน

Dimethylglyoxime (DMG)

8-Hydroxyquinoline (oxine)

26

ตวตกตะกอนประเภทสารอนทรยสาหรบการตกตะกอนไอออนอนนทรย

การตกตะกอนในสารละลายทเปนสารเน อเดยวกน

• จะเกดตะกอนไดดกวำกำรเตมตวตกตะกอน เนองจำกจะเกดนวคลไอและกลำยเปนคอลลอยดอยำงรวดเรว เมอตวตกตะกอนสมผสกบ analyte • ยเรยนยมใชเปนตวตกตะกอนในกำรตกตะกอนในสำรละลำยทเปนสำรเนอเดยวกน โดยใชผลต OH- ทใชในกำรเกดตะกอนไฮดรสออกไซด (hydrous oxide) หรอเกลอเบส (basic salt)

(H2N)2CO + 3H2O CO2 + 2NH4+ + 2OH-

ตวตกตะกอนส ำหรบใชในกำรตกตะกอนในสำรละลำยทเปนสำรเนอเดยวกน

การคานวณการวเคราะหโดยการตกตะกอน

กำรค ำนวณอำศยหลกปรมำณสำรสมพนธ

30

น ำหนกสำรตวอยำง กระบวนกำรตกตะกอน

ตะกอน Calcination น ำหนกตะกอน

Analyte ในตะกอนไดถกเปลยนรปใหอยในรปทรองคประกอบทแนนอน

Analyte ในสำรตวอยำงอยในรปทไมรองคประกอบทแนนอน

สารตวอยาง + BC ABC

31

ตวตกตะกอน ตะกอน

ค ำนวณหำ %A ในสำรตวอยำง

แตสปชส A เกดเปนตะกอนในรปของ ABC โดยสปชส A เปนองคประกอบของตะกอน ABC ดงนนอตรำสวนโดยน ำหนกระหวำง สปชส A และ ABC เรยกวำ gravimetric factor

gravimetric factor

สารตวอยาง + BC ABC

32

ตวตกตะกอน ตะกอน

33

34

35

ตวอยาง 4.6

ตวอยำงแรเหลกหนก 1.1324 g น ำมำละลำยดวย HCl เมอเจอจำงดวยน ำ ตกตะกอนเปนไฮดรสออกไซดของ Fe2O3xH2O โดยกำรเตม NH3 เมอท ำกำรกรองและลำง ตะกอนถกน ำไปเผำทอณหภมสง พบวำไดตะกอนทแนนอนในรป Fe2O3 หนกเทำกบ 0.5394 g จงค ำนวณ (ก) %Fe (ข) %Fe3O4

37

ตวอยางแรเหลก 1.1324 g NH3

ตะกอน Fe2O3xH2O

เผาอณหภมสง

ตะกอน Fe2O3 0.5394 g

38

(ก) %Fe

(ข) %Fe3O4