История титриметрического метода анализа. Возможная точность метода
2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМЕНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Уральский Федеральный университет имени первого президента России
Б.Н. Ельцина
Центр классического образования
Химический факультет
Кафедра аналитической химии
Кафедра философии
Реферат по истории философии науки
Возникновение титриметрического метода анализа. Возможная точность метода
Реферат аспиранта
Научный руководитель
Екатеринбург
2012
Оглавление
Введение
1. История химии
1.1 История возникновения химии
1.2. История возникновения титриметрического метода анализа
1.2.1 Титриметрический метод анализа, основанный на кислотно-основном взаимодействии
1.2.2 Титриметрический метод анализа, основанный на реакциях осаждения
1.2.3 Титриметрический метод анализа, основанный на окислительно-восстановительных реакциях
1.2.4 Титриметрический метод анализа, основанный на окислительно-восстановительных реакциях
1.3. Обобщение достижений титриметрии
2. Точность метода
2.1 Понятие неопределенности результатов измерений
2.2 Неопределенность кислотно-основного титрования
2.3 Точность измерений как философская проблема
Заключение
Введение
В развитии различных областей человеческой деятельности химия оказывала и оказывает существенное влияние. Ее роль складывалась исторически и зависела от двух факторов: степени развития сферы производства и теоретического аппарата.
Титриметрический метод анализа - один из методов количественного химического анализа, основанный на измерении объема титранта, пошедшего на реакцию определяемым веществом. Возникновение титриметрического метода анализа относят к XVIII веку, в то время он возник, как предмет определения качества технических продуктов, теорией титриметрического метода анализа в то время не интересовались, а целостная я же теория титриметрического метода анализа была создана лишь в середине XX века.
В работе описана история возникновения титриметрического метода, предпринята попытка оценить его точность применительно к кислотно-основному титрованию, а также рассмотрена проблема точности измерений.
1. История химии
1.1 История возникновения химии
Химическое искусство возникло в глубокой древности, и его трудно отличить от производства, потому что, подобно сестрам близнецам, оно одновременно рождалось у горна металлурга, в мастерской красильщика и стекольщика. Корни химии проросли в плодородной почве металлургической и фармацевтической практики. Письменных источников, по которым можно было бы судить об уровне древней ремесленной химии, сохранилось мало. Изучение археологических объектов с помощью современных физико-химических методов приоткрывает завесу в мир ремесла древнего человека. Установлено, что в Месопотамии в XIV – XI вв. до н. э. применяли печи, в которых при сжигании угля модно было получить высокую температуру (1100 -1200°С), что позволяло выплавлять и очищать металлы, варить стекло их поташи и соды обжигать керамику [1].
Технохимия и металлургия достигли высокого уровня в Древней Индии.
Многочисленный рецепты изготовления мазей, лекарства, красок, изложенные в папирусах, показывают высокий уровень развития ремесленной химии, косметики, фармацевтики уже в середине II тысячелетия до н.э. По выражению А.Лукаса, «косметика также стара, как человеческое тщеславие».
Древние специалисты химического искусства: плавильщики, стеклодувы, красильщики, мыловары – были «химиками-технологами» Это были люди чистой практики, для которых «теория» значила мало или вообще ничего не значила. Они устно передавали свой богатый опыт каждому новому поколению. Никто в то время этот опыт не обобщал и не описывал, и если в папирусах сохранились отдельные рецепты, то было далеко не то, что могли делать руки мастера [1].
Нас же интересует история возникновения титриметрического метода анализа, который входит в область знаний аналитической химии. В этой связи нужно отметить, что и аналитическая химия появилась как практическая область деятельности, а не как научное знание, возникла в помощь ремесленникам, для производства товара.
1.2. История возникновения титриметрического метода анализа
Первые упоминания аналитической химии связаны с одним из методов физико-химического анализа, а именно измерение плотности системы золото-серебро, был использован знаменитым греческим ученым Архимедом (287-212 гг. до н.э.).
В своем развитии ремесло рождало не только средства и методы удовлетворения жизненных потребностей человека, одновременно оно будило разум. Рядом с магической обрядностью и фантазиями первобытного мышления, порожденными верой в существование сверхъестественных сил, появились ростки совершенно нового строя мыслей, основанного на постепенном увеличении доверия к силе разума, прогрессирующего по мере усовершенствования орудий труда. Первое завоевание на этом пути – желание понять внутреннюю природу вещей, обусловливающих окраску, запах, горючесть, ядовитость и многие другие качества. Как определить эти свойства и могут ли они существовать отдельно.[1]
Развитие технической химии, успехи которой были особенной велики в XVI – XVII вв., обусловило расширение исследований не только готовых продуктов, но и исходных веществ.
Развитие металлургического производства и горного дела во многом зависело от методов контроля качества сырья и продуктов производства. В связи с этим широко стали применяться методы пробирного анализа, разложение веществ «сухим» и «мокрым» путями. Так сложились объективные причины возникновения аналитической химии.
В XVIII в. Исследования состава руд, минералов, солей приобретают особую актуальность в связи с запросами развивающейся промышленности. Естественно, что перед шведскими, немецкими, английскими, русскими, венгерскими химиками (в странах, в которых весьма сильно развивалась металлургическая промышленность, горное дело, стекольное, химические промыслы) вставала неотложная задача разработать методы качественного и количественного анализа.
В это время возникает и титриметрический метод анализа: один из основоположников объёмного метода анализа был Франсуа Антуан Анри Декруазиль[1] . Он предложил титрование белильного раствора гипохлорита сернокислым индиго для определения его крепости, разработал (1805-1806) объёмные методы определения кислот и щелочей (алкали- и ацидиметрию), испытания качества поташа, ввёл в аналитическую практику набор специальных приспособлений для титрования – мерные цилиндры, бюретки и пипетки (1795), а также мерную колбу (1809). Впервые использовал (1787) на свое текстильной фабрике в Руане хлор для беления тканей. [2].
Дальнейшее развитие титриметрического метода анализа в своем классическом исполнении, т.е. объемном, связано с Ж. Гей-Люссаком, который внес большой вклад в развитие метода, он же и дал ему название.
1.2.1 Титриметрический метод анализа, основанный на кислотно-основном взаимодействии
Титриметрический анализ возник как метод нейтрализации, другие реакции стали использовать несколько позже. Представления о нейтрализации кислот веществами щелочного характера (содой, потащом) имели еще алхимики. Позднее ятрохимиками[2] Я.Б. Ван Гельмонт О. Тахений указывали, что кислоты и щелочи должны реагировать в определенном количественном соотношении, причем в этой реакции образуются растворимые соли. И. Глаубер в XVII в. применил реакцию нейтрализации для приготовления химических реактивов. Для приготовления селитры он прибавлял к азотной кислоте раствор карбоната калия. Точку нейтрализации И. Глаубер замечал по прекращению выделения пузырьков углекислого газа при добавлении очередной капли карбоната натрия [3].
Нейтрализация кислот «щелочами» (содой или поташом) в присутствии природных цветных индикаторов изучал Р. Бойль. В 1663 г. Он писал, что голубая окраска его индикатора исчезает при добавлении кислоты, но он может восстановить ее, добавляя раствор «щелочи» (соды или поташа). Можно даже судить о «крепости» раствора кислоты по количеству раствора щелочи, которое понадобиться для восстановления голубой окраски индикатора. В 1699 г. Ученик Р. Боиля, французский химик В. Гомберг попытался использовать найденные таким способом «соотношения средства» для количественного определения содержания кислот в водных растворах, но не довел дело до конца.
Историки химии выделяют работы Клода Жоффруа (1726), который впервые применил реакцию нейтрализации для оценки качества промышленной продукции (уксуса). Однако ни К. Жоффруа, ни другие французские исследователи, использовавшие в начале XVIII в. реакции нейтрализации, не могут, строго говоря, считаться основателями объемного анализа, так как они измеряли в качестве аналитического сигнала не объем стандартного раствора щелочи, а массу твердого щелочного реагента (поташи или соды). Контролировали процесс по выделению пузырьков газа, вблизи точки насыщения выделение газа прекращалось. По-видимому, объем раствора титранта, затрачиваемого на нейтрализацию исследуемого раствора, впервые стал измерять немецкий аналитик Каспар Нейман (1722), но детали его работы историкам неизвестны. Больший интерес современников вызвала работа шотландца Ф. Хоума (1756), который применял ту же реакцию, что и К. Нейман, а измерял объем титранта (водного раствора кислоты) чайными ложками. Он указывал, что при добавлении каждой порции титранта начиналось бурное, но недолгое выделение газа. Позднее российский исследователь Т.Е. Ловиц проводил титрование уксусной кислоты, добавляя к ней титрант (тартрат калия) по каплям, а результат рассчитывал по количеству капель [4].
Более основательными были исследователи У. Льюиса (1767), который определял точу эквивалентности не по прекращению выделения газа, а с помощью цветных индикаторов или бумаги, пропитанной этими индикаторами. Для большей точности У. Льюиспредлагал использовать не объем, а массу раствора кислоты, затраченного на нейтрализацию пробы. Такие методики вскоре были использованы для анализа смеси кислот, например, для соляной и азотной (Гитон и Морво).
Особое значение для развития объемного анализа имели работы французского изобретателя и химика-технолога Ф. Декруазиля (1751-1825), который ввел в употребление мерные пипетки, мерные колбы с тонкой шейкой и, что наиболее важно, изобрел пипетку с делениями. Методики Декруазиля были весьма сходны со современными, но они не были нацелены на определение концентрации растворов или процентного содержания кислот (или щелочей) в технических продуктах. Оценивали качество продуктов, причем в условных единицах – градусах. Так, если расход кислоты на единицу массы поташа был меньше некоторого критического значения, исследуемый поташ считался недостаточно качественным. Не ясно было только, какой именно природный индикатор лучше использовать в том или ином случае [3].
Очевидно, чтобы титриметрия из метода технического контроля стала универсальным методом, пригодным даже для научных исследований, надо было разработать теоретические представлениях об эквивалентах и соответствующие способы расчетов. Значения эквивалентов были получены Рихтером (1800) не только весовым, но и объемным методом.
Далее стали появляться другие виды титриметрического метода анализа, основанные на других видах химических реакций.
В середине XVIII в. Ф. Хоум предложил методику оценки жесткости природных вод, основанную на осаждении солей кальция и магния карбонатом натрия. В конце XVIII в. появились методики осадительного титрования сульфатов известковой водой. Раствор титранта в этом случае предварительно стандартизовали по навеске сульфата магния. Дальнейшее развитие метода осадительного титрования связано с деятельностью крупнейшего французского химика XIX в. Ж. Гей-Люссака [4].
1.2.2 Титриметрический метод анализа, основанный на реакциях осаждения
Ж. Гей-Люссак был вдумчивым и аккуратным экспериментатором. Оригинальные работы в области титриметрического анализа он начал уже прославленным ученым (почти в 50 лет). Вначале он опубликовал несколько статей по методу нейтрализации, однако новой в них была в основном терминология. Новые термины «титрант», «титрование», «титриметрия».
В 1832 г. Ж. Гей-Люссак[3] опубликовал статью, в которой заявил, что существующий уже много века способ определения пробы серебряных изделий и монет – пробирная лавка – недостаточно точен, дает заниженные результаты. Он предложил новый способ – растворение пробы в азотной кислоте и затем осадительное титрование растворенного серебра раствором NaCl. Методика Гей-Люссака не была связана с применением индикатора или приборов, а значит, была свободна от индикаторных и приборных погрешностей. Конец титрования устанавливали по прекращению выпадения осадка при введении очередной порции титранта. Для большей точности Ж.Гей-Люссак использовал такие приемы, как дополнительное взвешивание бюретки с раствором, введение температурных поправок и.т.п. В ряде случаев он вводил в исследуемый раствор избыток хлорида и оттитровывал его очень разбавленным раствором соли серебра. Точность методик Гей-Люссака оказалась очень велика, особенно для своего времени [3].
1.2.3 Титриметрический метод анализа, основанный на окислительно-восстановительных реакциях
Метод окислительно-
На рубеже 40-50-х гг. XIX в. Практически одновременно возникли методы иодометрии, иодатометрии, перманганатометрии и хроматометрии.
Перманганатометрия была создана французским аналитиком Фредериком Маргериттом (1846). Он применял растров перманганата (тогда его называли «хамелеон») для титрования соединений закиси железа в солянокислой среде и указывали, что это титрование настолько просто, что его можно доверить выполнять рабочим непосредственно в заводских условиях. Титровать «хамелеоном» модно любые восстановители. Ф. Маргеритт предложил способы предварительного восстановления железа (III) в железо (II) и указал на необходимость устранять избыток вспомогательного реагента-восстановителя либо применять его в твердом виде (сам Ф.Маргеритт применял металлический цинк ввиду селективности этого реагента). Метод перманганатометрии впоследствии развивал К.Р. Фразениус, установивший, что проведение титрования в солянокислой среде по Маргеритту в некоторых случаях приводит к систематическим погрешностям. В частности, при определении железа в солянокислых средах выручала защитная смесь, предложенная Ю.Циммерманом и К. Рейгардтом. Механиз сложных автокаталитических процессов, протекающих в ходе перманганатометрического титрования, был выяснен уже в XX в [3].
1.2.4 Титриметрический метод анализа, основанный на окислительно-восстановительных реакциях
Еще в первой половине XIX в. в титриметрии начал использовать реакции комплексообразования, хотя о самих комплексных соединениях в те годы ничего не было известною По-видимому, комплексонометрия ведет свое начало от работ Юстуса Либиха[4], который работал с опасными веществами, например, взрывчатыми, но самыми опасными были проводившиеся им эксперименты с ядовитыми солями синильной кислоты. Эти опыты привели к созданию точных и безопасных методов аргентометрического определения цианидов (1851). К этому времени цианиды широко использовали в цветной металлургии, золотодобывающей промышленности, гальванотехнике и других областях. Реакцию цианидов с серебром стали применять для косвенных титриметрический определений переходных металлов, дающих устойчивые цианидные комплексы. Других столь же точных и быстрых методик определения этих металлов в то время не было. Цианидометрию перестали использовать лишь с появлением комплексонов. Ю. Либих предложил также методики комплексометрического определения галогенидов, основанные на их взаимодействии с солями ртути (II). Индикатором служил нитропруссид натрия, а позднее – дифенилкарбазид или дифенилкарбазон. Другие реакции в XIX в. не использовали, разве что для фиксирования точки эквивалентности (метод Фольгарда). В XX в. низкодентантные лиганды в качестве титрантов также применяли редко, можно указать лишь фторидометрию (1908) и несколько методик определения переходных металлов с применением случайно найденных моно- и бидентантных органических титрантов. Причины непригодности большинства реакций комплексообразования в титриметрии были выявлены только в свете теории строения комплексных соединений (А. Вернер) и особенно после создания теории ступенчатого комплексообразования (Н. Бьеррум). Именно эти теории подтолкнули Шварценбаха к созданию в 40-е гг. XX в. Г. Шварценбаха к созданию принципиально нового варианта объемного анализа – комплексонометрии [4].
1.3. Обобщение достижений титриметрии
Первые работа по кислотно-основному, осадительному окислительно-
- сами создатели трактовали свою методики лишь для контроля качества технических продуктов;
- наблюдалось некоторое пренебрежение к сути метода, его химизму;
- отсутствие обобщений всех титриметрических методик.
Фридрих Мор[5] обобщил множество титриметрических методик для разных веществ в особый, достаточно полный и логично выстроенный раздел химического анализа, требующих единой техники и более или менее единой теории [4].
Учебник Ф. Мора получил самое широкое распространение, и после его появления возражение против использования титриметрии в науке прекратились. Однако задачу по созданию единой математизированной теории Ф. Мор не решил, такая теории не была создана вплоть до начала XX в. Без нее нельзя было предвидеть, какие кислоты или какие восстановители можно оттитровать данным титрантом, как будет влиять присутствие посторонних ионов на результат, какой именной их множества известных индикаторов следует применять в том или иной случае. Создание теории титриметрического анализа стало возможно только в начале XX в. на основе разработанных перед этим теории электролитической диссоциации (С. Аррениуса) и теории химических равновесий (В. Оствальда) [3].
2. Точность метода
2.1 Понятие неопределенности результатов измерений
Для описания точности методики в России всегда использовали понятие «погрешность», включающее в себя возможный разброс результатов и их смещение относительного принятого опорного значения. В настоящее время в связи с подписанием соглашения о взаимном признании результатов между странами, Россия, как подписант этого соглашения, вынуждена переходить на единый язык описания точности методики (метода) измерения, а именно на язык неопределенности результатов анализа.
В 1997 году от имени семи авторитетных международных организаций
- Международного комитета мер и весов (МКМВ);
- Международной электротехнической комиссии (МЭК);
- Международной организации по стандартизации (ИСО);
- Международной организации по законодательной метрологии; (МОЗМ)
- Международного союза по чистой и прикладной физике (ИЮПАП);
- Международного союза по чистой и прикладной химии (ИЮПАК);
- Международной федерации клинической химии (МФХК)
было опубликовано "Руководство по выражению неопределенности измерения", которое определило новую концепцию оценки точности измерений.
Итак, в основе концепции неопределенности лежит неполное знание значения измеряемой величины, которые представлено исследователю в виде ряда величин, полученных в результате измерительного эксперимента и каким-то образом характеризующих измеряемую величину. При оценке результатов измерений не используются понятия истинного значения или принятого опорного, действительного значения и погрешности измерения. Вводится понятие неопределенности измерения [5], которое трактуется как параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которое обоснованно может быть приписаны измеряемой величине. Заметим также, что в новой концепции вместо понятия «физическая величина» используется понятие «величина».
Также как и для классической теории измерения, в качестве характеристик неопределенности используется среднеквадратическое отклонение (СКО) и доверительный интервал, которые в новой концепции называются стандартная неопределенность и расширенная неопределенность. О них мы остановимся более подробно ниже, а вначале посмотрим: чем же отличаются погрешность и неопределенность?
Погрешность однократных измерений – это разность между результатом измерения Ii, и действительным значением физической величины Х, т.е .
«Неопределенность однократного измерения» можно представить как разность между результатом измерений и средним арифметическим значением L, полученным в результате n измерений, т.е .
При увеличении количества измерений среднее арифметическое L стремится к истинному значению Х, конечно, если устранены все систематические погрешности. При этом разность между и будет стремиться к нулю и, следовательно, математические закономерности поведения совокупностей и будут подобны. Как уже отмечалось выше, основное различие в концепциях (неопределенности и погрешности) состоит в том, к какой величине относят дисперсию (СКО): к действительному значению измеряемой величины или к результату измерения.
2.2 Неопределенность кислотно-основного титрования
Рассмотрим теорию неопределенности на примере титрования бората аммония серной кислотой, полученного после кислотного разложения пробы (зерно), ее дистилляции водяным паром и улавливанием в борную кислоту, представим бюджет неопределенности, его источники и рассчитаем расширенную неопределенность титриметрического метода анализа в кислотно-основном варианте. Цель данного титрования – поиск массовой доли азота в пробе.
Уравнение измерений массовой доли азота – W, % имеет следующий вид
, (1)
где - фактическая концентрация титранта, моль/дм3;
- объем раствора титранта, пошедший на титрования исследуемой пробы, см3;
- объем раствора титранта, израсходованный на титрование в холостом опыте, см3;
– масса часового стекла, г;
– масса навески и часового стекла, г;
- молярная концентрация определяемого компонента, г/моль;
Стандартную неопределенность измерений массовой доли азота в пробе, uA, вычисляют по формуле
, (2)
где Wi – i-тый результат измерений массовой доли азота, %;
- среднее арифметическое значение массовой доли азота, %.
Оценивание стандартной неопределенности по типу В
Неопределенность воспроизведения массовой доли азота в пробе, исходя из анализа уравнения измерения определяется композицией составляющих неопределенности, обусловленной погрешностями определения массы вещества, точностью определения объема титранта, погрешностью определения атомной масса элементов и точностью определения концентрации используемого титранта.
Другими источниками неопределенности, которые не входят в уравнение измерения, но оказывают влияние на результат измерений: точность установления конечной точки титрования, влияние времени разложения (минерализации) проб в процессе пробоподготовки, масса навески пробы, мощность нагрева разложения, масса применяемых катализаторов, объем кислоты, используемой для разложения ,объем щелочи, используемой для отгонки, объема набираемого дистиллята.
Поскольку в ходе эксперимента одновременно измеряемыми величинами являются не зависимые друг от друга величины, их оценки приняты некоррелированными.
Для оценки влияющих факторов методом множественной линейной регрессии с помощью «Пакета анализа» в Microsoft Excel строили модель вида:
(3)
где bi –неопределенные коэффициенты модели;
– среднеарифметическое результатов измерений массовой доли азота при значениях факторов P(T), m, tразл, Vкислоты, mкат, VNaОH, Vдистиллята;
– среднеарифметическое результатов измерений массовой доли азота при оптимальных значениях влияющих факторов - P(T)°, m°, t°разл, V°кислоты, m°кат, V°NaОH, V°дистиллята.
Стандартная неопределенность воспроизведения, оцениваемая по типу В, uB, рассчитывается по формуле
(4)
где i – номер влияющего фактора;
bi – неопределенные коэффициенты модели, оцененный с помощью «Пакета анализа» Microsoft Excel;
- значение факторов;
Sbi – стандартная неопределенность коэффициентов модели, оцененная с помощью «Пакета анализа» Microsoft Excel;
– допускаемое отклонение i-фактора от номинального значения, установленное в конкретной методике воспроизведения единиц массовой доли компонента в Приложении к РЭ на ГЭТ 176-1-2010;
- i-ая стандартная неопределенность по типу В, которую оценивали, исходя из метрологических характеристик средств измерений, входящих в ГВЭТ 176-1-2010:
Неопределенность определения массы навески
Масса навески определяется по формуле:
. (5)
Неопределенность определения массы оценивают, исходя из данных описания типа на конкретные весы. Производители весов рекомендуют использовать прямоугольное распределение для пересчета нелинейности измерений в стандартную неопределенность. Вклад нелинейности весов в неопределенность:
, (6)
где - погрешность взвешивания весов.
Этот вклад следует учесть дважды: один раз при взвешивании тары, второй – при взвешивании вещества с тарой, поскольку результат каждого взвешивания является независимым наблюдением, а эффекты нелинейности некоррелированы. Это дает для стандартной неопределенности массы значение:
(7)
Неопределенность определения концентрации титранта
Для приготовления растворов титрантов используют стандарт-титры. Неопределенность приготовления раствора по данным завода изготовителя составляет 1%. Для повышения точности измерений проводят стандартизацию растворов титрантов с помощью следующих стандартных образцов, аттестованных на ГЭТ 176-2010, ГСО 4086-87, ГСО 4391, ГСО 2216‑81, ГСО 3219-85, ГСО 2960-84.

- История товарного биржевого рынка
- История товарного бренда «LAVAZZA»
- История товарной номенклатуры внешнеэкономической деятельности
- История товарных знаков
- История товароведения как науки
- История томатов. Происхождение помидоров
- История томизма с XIII по XIX век. Основные центры изучения и преподавания томизма
- История тестирования
- История техники
- История технической игрушки
- История технологий и поколений ЭВМ
- История технологий и поколений ЭВМ
- История технологий и поколений ЭВМ
- История технологий и поколений ЭВМ