جرم، اصلی ترین پارامتر در آنالیز مواد شیمیایی است و وزن سنجی یا گراویمتری (Gravimetry) اولین و قدیمی ترین تکنیک آنالیز شیمیایی مواد محسوب می شود. وزن سنجی یا گراویمتری (گراویمتری در شیمی تجزیه ) عبارت است از اندازه گیري کمی یـک جسـم از طریـق رسـوب دادن آن و جـدا کـردن و توزین رسوب حاصل. در تمام روش های وزن سنجی، اندازه گیری وزن نهایی وسیله ای برای تعیین مقدار آنالیت است. از آنجایی که وزن را با دقت های بسیار بهتری نسبت به خواص دیگر می توان اندازه گیری کرد، آنالیز وزن سنجی به طور بالقوه روش دقیق تری نسبت به روش های دیگر آنالیزی است ( توجه کنید که در بیشتر آزمایشگاه ها امکان اندازه گیری تا ۰.۰۰۰۱ -۰.۰۰۰۰۰۱ وزن با ترازوی آنالیتیکال وجود دارد).
روش های وزن سنجی تقسیم بندی های مختلفی دارند. در بعضی از منابع روش های گرما سنجی یا ترموگراویمتری (thermogravimetry) که در قسمت آنالیزهای حرارتی توضیح داده شده و رسوب دهی الکتریکی (electrodeposition) که زیر مجموعه روش های الکتروشیمی هستند را نیز از انواع روش وزن سنجی دسته بندی می کنند. همه این روش ها در مراحل و روش هایی که منجر به وزن کردن نمونه می شود متفاوت هستند. معمولا روش های وزن سنجی به چند دسته کلی تقسیم می شود که عبارتند از:
وزن سنجی رسوبی
اساس روش های وزن سنجی رسوبی تشکیل رسوب است. اما توجه شود که هر واکنشی که منجر به تشکیل رسوب می شود برای آنالیز مناسب نیست. اول این که واکنش بین معرف رسوب دهنده یا واکنشگر رسوبی با آنالیت مورد نظر باید کمی باشد. به عبارت دیگر استوکیومتری واکنش باید برقرار باشد. دومین مسئله پایدای رسوب تشکیل شده است. رسوب نبایدفرار یا قابل تجزیه باشد و یا قدرت جذب بالایی داشته باشد. به زبان ساده وزن رسوب در شرایط آزمایش باید ثابت باقی بماند. رسوب های کلوئیدی که به سختی صاف می شوند برای آنالیز روش های وزن سنجی مناسب نیستند.
در وزن سنجی رسوبی (Precipitation Gravimetry) با اضافه کردن یک عامل رسوب دهنده (precipitating reagent) به محلول حاوی آنالیت یک ماده نامحلول تشکیل می شود. در بیشتر روش های وزن سنجی رسوبی یک واکنش ساده بین آنالیت و عامل رسوب دهنده صورت می گیرد. بهرحال هر واکنشی که منجر به تولید رسوب شود به طور بالقوه می تواند در روش های وزن سنجی رسوبی استفاده شود.
وزن سنجی تبخیری
در وزن سنجی تبخیری (Volatilization Gravimetry) از وزن سنجی با حرارت دادن یا به روش شیمیایی نمونه تجزیه (decompose) شده و تغییرات جرم اندازه گیری می شود. چون آزاد شدن گونه های فرار بخش اساسی در این روش است به آن وزن سنجی تبخیری می گویند.
وزن سنجی ذرات یا وزن سنجی فیزیکی
در روش وزن سنجی رسوبی و تبخیری آنالیت یا بعضی از گونه های دیگر در نمونه با یک روش شیمیایی رسوب داده می شوند. در روش وزن سنجی ذرات (Particulate Gravimetry) یا وزن سنجی فیزیکی (Physical Gravimetry) آنالیت به صورت نامحلول یا رسوب است و فقط باید آن را از ماتریس آن که ممکن است مایع گاز یا جامد باشد جدا کرده و وزن کنیم. وزن سنجی فیزیکی متداول ترین نوع وزن سنجی است.
تشکیل رسوب و پارامترهای تاثیرگذار بر شکل رسوب
تشکیل رسوب اگرچه نتیجه نهایی یک واکنش شیمیایی بین معرف رسوب دهنده و آنالیت است اما شکل و نوع رسوب یک مرحله فیزیکی ست که به پارامترهای مختلفی بستگی دارد. تشکیل ذرات کوچک جامد در محلول را هسته زایی می گویند. رسوب کردن یون های محلول روی ذرات اولیه که علت اصلی رشد رسوب (بزرگ شدن رسوب) در محلول است را رشد بلور می نامند.
شکل، اندازه و بار الکتریکی ذرات در شکل فیزیکی رسوب ها تاثیر می گذارند. رسوب های بلوری، درشت هستند و به راحتی صاف می شوند. رسوب های بلوری بهترین رسوب برای وزن سنجی هستند. در بعضی مواقع، رسوب به صورت لخته ای تشکیل می شود. رسوب های لخته ای ذرات ریز به هم چسبیده دارند (شبیه شیر لخته شده). این نوع رسوب در اثر شستشو با آب، یا عمل والختی، دوباه به ذرات ریز تبدیل می شوند. رسوب های ژلاتینی قطر بسیار ریزی دارند که از صافی به راحتی رد می شوند و یا سوراخ های صافی را مسدود می کنند.
برای به دست آوردن یک رسوب خوب محلول حاوی یون یا آنالیت باید رقیق باشد و عامل رسوب دهنده قطره قطره به محلول آن اضافه شود. و ضمن اضافه کردن عامل رسوب دهنده محلول باید دائما هم زده شود. با رعایت این دستورالعمل تشکیل رسوب به آرامی صورت خواهد گرفت و مقدار احتباس بسیار کاهش می یابد.
ذرات ریز ممکن است از صافی رد شوند یا سبب مسدود شدن سوراخ های صافی شوند. از آن جایی که ذرات ریز حلالیت بیشتری دارند حرارت دادن رسوب تشکیل شده (حدود 5-10 دقیقه) بر روی حمام بخار سبب حل شدن دوباه ذرات ریز و رسوب روی ذرات درشت تر می شود. با این روش به علت درشت تر شدن ذرات رسوب جذب سطحی نیز کاهش پیدا می کند.
جذب سطحی (adsorption) فرایندی است که در آن یک ماده (گاز، مایع یا جامد) به وسیله برهم کنش های بین مولکولی روی یک سطح دیگر نگه داشته می شود. در مقابل، جذب (Absorption) شامل حفظ و نگه داشت شدن ماده در منافذ یک جامد یا مایع است. بنابراین جذب یک پدیده سطحی نیست و در تود (bulk) جامد یا مایع اتفاق می افتد.
مشخصات رسوب مناسب
یک رسوب ایده آل باید چها مشخصه حلالیت کم (low solubility) پایداری (stability) قابلیت فیلتر شدن (filterability) و خلوص (purity) را دارا باشد.
صحت روش وزن سنجی و به دست آوردن نتایج درست به حلالیت رسوب تشکیل شده بستگی دارد. مقدار حلالیت یک رسوب یا نمک کم محلول با ثابت حاصل ضرب حلالیت به دست می آید. درواقع ثابت تعادل مربوط به واکنش انحلال یك نمك كم محلول می باشد.
حلالیت یک رسوب به عواملی مانند pH حضور یون مشترک و غیرمشترک و حلال بستگی دارد. تشکیل هر رسوب در pH مناسب آن صورت می گیرد. افزایش غلظت یون مشترک سبب کم شدن حلالیت می شود. اثر حلال در میزان قطبیت آن خود را نشان می دهد. مواد قطبی در حلال های قطبی بیشتر حل می شوند. به همین دلیل حلالیت بیشتر یونها در آب با اضافه کردن یک حلال امتزاج پذیر به آب کاهش پیدا کرده و به صورت رسوب در می آیند.
حضور الکترولیت ها، عوامل کمپلکس کننده، اندازه ذرات، دما و فشار نیز از عوامل تاثیرگذار در حلالیت رسوب ها هستند.
هم رسوبی (coprecipitation) یکی از دلایل مهم ناخالصی رسوب ها است که با سه مکانیسم در برگیری (inclusion) احتباس (occlusion) و جذب سطحی (surface adsorption) همراه است. در برگیری مزاحمت یک یون با اندازه و بار یکسان با آنالیت و جایگزینی آن در ساختار کریستالی رسوب ست. از آنجایی که یون مزاحم در مکانیسم در برگیری در شبکه رسوب قرار گرفته هم شناسایی آن و هم حذف آن کار مشکلی ست. احتباس زمانی که یک ناخالصی حین تشکیل رسوب به طور فیزیکی درون رسوب به دام می افتد یا گیر انداخته می شود ( physically trapped). و یک ناخالصی جاذب سطح (adsorbate) با پیوندهای ضعیفی به سطح رسوب می چسبد.
برای آشنایی با انواع روش های وزن سنجی معرف های رسوب دهنده روش کار و محاسبات مربوطه مقاله زیر را ببینید.
روش های وزن سنجی و تیتراسیون های رسوبی
