Объемный анализ
реклама
Объемный анализ. Метод нейтрализации: ассистент Русейкина А.В., доцент Полещук И.Н., методические указания к лабораторной работе для студентов специальности ООС, дневное отделение – 2 курс, 4 семестр; ВиВ, дневное отделение – 2 курс, 3 семестр; ВиВ, заочное отделение – 3 курс, 5 семестр; Тюмень: ТюмГАСУ, 2006 год, 29 с. Рецензент: к.х.н., доцент Кертман Александр Витальевич (степень, звание, Фамилия, Имя, Отчество) Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры: Протокол № 53 от « 16 » ноября 2006 г. Учебно-методический материал утвержден на УМК академии: Протокол № от « » декабря 2006 г. Тираж 50 экземпляров I. Введение. Цель представленного методического указания – познакомить студентов с одним из титриметрических методов количественного анализа – методом нейтрализации, с применением аналитической посуды и оборудования в объемном анализе. В методических указаниях изложены лабораторные работы по курсу «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»; и по курсу «Качественный и количественный анализ природных и сточных вод» для студентов специальности «Водоснабжение и водоотведение»; представлено теоретическое описание, указаны вопросы для самостоятельной подготовки и литература, необходимая для освоения практикума. 3 II. Правила техники безопасности. 1. Студент допускается к работе в лаборатории только после инструктажа по технике безопасности, что подтверждается росписью студента и лица, проводившего инструктаж, в специальном журнале. 2. Все студенты, прошедшие инструктаж, должны строго придерживаться правил техники безопасности. За несоблюдение правил установлена ответственность в административном или судебном порядке. 3. Работа студента в лаборатории разрешается в часы, отведенные по расписанию, а также в дополнительное время, согласованное с преподавателем, под наблюдением преподавателя или лаборанта. 4. Запрещается принимать пищу в лаборатории, пробовать на вкус химические вещества, оставлять какие-либо реактивы в посуде без соответствующей надписи. 5. Все растворы, не подлежащие сливу в канализацию (органические растворители, соли ртути и серебра, легковоспламеняющиеся жидкости, концентрированные кислоты и щелочи и т. д.), следует выливать в особые банки для слива, получив указание лаборанта. 6. Концентрированные кислоты и щелочи, сильнодействующие реактивы (бром и др.) надо хранить в вытяжном шкафу под тягой на подносе и не выносить их оттуда. 7. При всех работах с едкими веществами (кислоты, щелочи и др.) необходимо соблюдать максимальную осторожность, имея в виду, что несчастные случаи всегда происходят в результате неосведомленности, невнимательности или небрежности работающего. 8. Беря вещество для опыта, следует внимательно прочитать этикетку и проверить содержимое по качественным признакам (цвет, запах, консистенция и др.). 9. При попадании едкого вещества на стол или на пол следует это место сразу же засыпать песком, затем песок собрать и вынести из помещения. Облитое кислотой место промыть раствором соды. 10. Реакции, которые могут сопровождаться сильным разогревом (растворение кислот, щелочей), следует проводить только в посуде из химического стекла, а не в толстостенной посуде. При этом реакционный сосуд помещают в кристаллизатор. 11. Засасывать едкие жидкости в пипетку необходимо только с помощью груши или пневмонасоса, а не ртом. 12. Нагревать растворы на плитке следует только в посуде из химического стекла без пробки. При этом посуда должна быть сухой снаружи. Брать нагретые предметы необходимо с помощью полотенца или специальных напальчников. 13. При выполнении лабораторного практикума необходимо строго следовать методическим указаниям. 14. Все опыты с сильно пахнущими и ядовитыми веществами необходимо проводить в вытяжном шкафу. 15. При разбавлении концентрированных кислот, особенно серной необходимо вливать кислоту в воду. 4 16. При работе с агрессивными веществами необходимо избегать попадания их на кожу. При попадании - смыть большим количеством воды и обратится к лаборанту. 17. Во время работы в лаборатории необходимо соблюдать тишину, порядок и чистоту на рабочих местах. III. Подготовка к занятиям. При подготовке к выполнению работ студент должен ознакомиться с теоретическими основами метода, и ответить на вопросы, поставленные в каждом разделе перед соответствующей лабораторной работой. Приступая к выполнению практических работ, студент должен: Ознакомиться с общими указаниями к практическим работам по титриметрическому анализу. Ознакомится с методикой выполнения работы, и уяснить механизм протекающих химических реакций. Использовать в строгом соответствии с методикой необходимые реактивы и посуду. По окончанию работы привести в порядок рабочее место и сдать его дежурному по лаборатории. Оформить и сдать преподавателю отчет о проделанной работе по предполагаемой схеме: Номер и название работы. Цель работы. Краткая сущность химических процессов, лежащих в основе рассматриваемого метода. Краткая методика работы. Результаты титрования. Вычисление результатов анализа и расчет погрешности определения. Выводы. 5 IV. Теоретическая часть Объемный анализ. В основе объемного анализа лежит количественное определение химических соединений, в большинстве случаев электролитов, путем измерения объемов растворов двух взаимодействующих веществ, причем концентрация одного из этих веществ должна быть заранее известна. В объемном анализе могут быть применены только такие реакции между двумя веществами, которые идут быстро и до конца. 1. Мерная посуда. Посуда, применяемая для измерения объемов жидкости, называется мерной. 1.1. Мерные цилиндры и мензурка – толстостенные стеклянные сосуды цилиндрической или конической формы, с нанесенными на наружной стенке делениями, указывающими объем (рис. 1). Мерные цилиндры непригодны для измерения объемов с нужной в титриметрическом анализе степенью точности, поэтому их применяют лишь при отмеривании каких-либо вспомогательных растворов реактивов, объемы которых не учитываются при вычислении результатов анализа. 1.2. Пипетки используют для точного отмеривания определенного объема пробы раствора. Отобранная с помощью пипетки проба называется аликвотом. Пипетки Мора (рис. 2) представляют собой стеклянные трубки с расширением посредине. Нижний конец оттянут в капилляр, на верхнем конце нанесена метка, до которой набирают отмеряемую жидкость. Объем вылитой из пипетки жидкости (при 200 С) в этом случае соответствует указанной на пипетке емкости. Пипетки бывают вместимостью от 1 до 100 см3. Широко применяются также градуированные пипетки различной емкости, на наружной стенке которых нанесены деления 0.1 см3. Перед использованием пипетки тщательно моют, ополаскивают дистиллированной водой, а затем раствором, который необходимо отмерить. 6 1 2 рис. 1 Мерная посуда: 1 – мензурка; 2 – мерные цилиндры (а – без пробки, с носиком; б – с пришлифованной пробкой) Для заполнения нижний конец пипетки погружают достаточно глубоко в жидкость, а через верхний конец всасывают в пипетку раствор немного выше метки. Затем верхний конец ее быстро и плотно зажимают указательным пальцем. Избыток жидкости медленно сливают из пипетки, держа ее вертикально, и приоткрыв слегка верхнее отверстие, пока нижний край мениска не коснется кольцевой черты (глаз следует держать на уровне метки). Затем снова закрывают отверстие пипетки пальцем. Затем слив осуществляется в другой сосуд, который должен быть наклонен так, чтобы сливной кончик соприкасался с внутренней стенкой сосуда. Для удаления жидкости, оставшейся в кончике пипетки, прикасаются ею нижним концом к стенке колбы. Выдувать эту каплю ни в коем случае не следует. Пределы допускаемой погрешности объема пипетки не превышают значений, указанных в таблице 1. Номинальная вместимость, мл Пределы допускаемой погрешности объема пипетки, мл 0,5 1 2 5 10 - 0,01 0,02 0,05 0,1 Таблица 1 25 0,2 7 рис. 2. Пипетки: а – градуированная, б-простая рис. 3. Бюретки: а- с зажимом, б – со стеклянным шариком, в – с краном рис. 4.Удаление воздуха из кончика бюретки 1.3. Бюретки (рис. 3) служат для измерения точного объема раствора при титровании и представляют собой стеклянные открытые сверху трубки, нижний конец которых сужен и снабжен краном. Имеются также бюретки без крана, с оттянутым нижним концом, на который надевают резиновую трубку с маленьким оттянутым стеклянным наконечником. Резиновую трубку снабжают металлическим зажимом или же внутрь ее помещают стеклянный шарик. Бюретку калибруют в миллилитрах (обычно 25 или 50) и десятых долях их; нулевое деление помещается вверху бюретки. Бюретку считают чистой, если жидкость при выливании стекает с ее стенок равномерно, нигде не оставляя капель. Для удаления воды бюретку ополаскивают титрованным раствором. Наполняют бюретку через воронку, вставляемую в верхнее отверстие бюретки, после чего воронку удаляют. Если воронку не удалить, во время титрования с воронки может стечь оставшийся в ней раствор, и измерение объема окажется неточным. В кране бюретки, в каучуковой трубке или в ее наконечнике не должно быть пузырьков воздуха. Для удаления их нужно отогнуть кверху резиновую трубку с капилляром и выпустить некоторое количество жидкости (рис. 4), а из бюретки со 8 стеклянным краном - опустив кончик крана в жидкость и засасывая ее через верхнее отверстие (при открытом кране). Поверхность жидкости в бюретке представляется широкой вогнутой полоской (мениск). Отчет проводят по нижнему краю мениска (если жидкость окрашена в темный цвет, то отсчет производят по верхней части мениска), при этом глаза наблюдателя находятся на уровне мениска (рис. 5). Для того чтобы мениск был лучше виден, позади бюретки помещают экран из картона, одна половина которого заклеена белой бумагой, а другая – черной (рис. 6, а). Иногда для лучшей видимости к задней стенке бюретки прикрепляется цветная полоска. В том месте, где находится мениск, эта полоска кажется суженной, по этому месту и ведут отсчет (рис. 6, б). рис. 5. Отсчет по бюретке при различном положении глаза наблюдателя. а б рис. 6. Измерение объема раствора в бюретке: а- с помощью экрана; б – с помощью цветной полосы. Раствор нельзя выпускать из бюретки слишком быстро, поскольку в этом случае он не успевает стекать со стенок бюретки и возникает т.н. погрешность стекания. Перед каждым титрованием нужно установить уровень жидкости в бюретке на нуль для уменьшения погрешности, связанной с нанесением делений на бюретку, а также с неравномерностью диаметра бюретки. Для получения достаточно точных результатов объем расходуемого для титрования раствора не должен превышать объема бюретки. В тоже время объем не должен быть слишком мал, т.к. неизбежные погрешности составили бы слишком большой процент от 9 измеряемой величины. Так при измерении 2 мл раствора ошибка в отсчете на 0,02 мл составляет 1%, а при 20 мл – 0,1%. 1.4. Мерные колбы – плоскодонные колбы с длинным узким горлом, на которое нанесена круговая метка (рис. 7) Мерными колбами пользуются для разбавления исследуемого раствора до определенного объема, а так же для приготовления титрованных растворов. Таким образом, в отличие от бюреток и пипеток, мерные колбы рассчитаны не на выливание, а на вмещение определенного объема жидкости. Допустимая погрешность (в см3) номинальной вместимости колб при температуре 200 С представлена в таблице 2. Рис. 7. Мерные колбы Номинальная рис. 8. Приготовление точного раствора из фиксанала.1- ампула; 2- боек с крестовидным утолщением ; 3 – боек; 4 – воронка; 5-мерная колба. 200 250 500 Таблица 2 1000 2000 0,025 0,025 0,04 0,06 0,10 0,15 0,15 0,25 0,40 5 10 25 50 100 вместимость Допустимая 0,60 погрешность Мерные колбы используют для приготовления растворов и для отмеривания определенных объемов жидкости. Жидкость наливают в колбу таким образом, чтобы нижняя часть вогнутого мениска жидкости в узкой шейке колбы (или верхняя часть выпуклого мениска) касалась метки на шейке колбы. Маленькие мерные колбы с притертой пробкой на 1-5 мл называют пикнометрами. 10 Для приготовления рабочих растворов применяют фиксаналы. Фиксанал представляет собой стеклянную ампулу, содержащую точно определенное количество вещества в сухом виде или в растворе. При разбавлении содержимого ампулы водой до определенного объема получаются точные растворы определенной нормальности. Обычно выпускают фиксаналы, при растворении которых в 1000 мл раствора получается точно 0,1 или 0,01 н. раствор. Для приготовления раствора из фиксанала важно тщательно перенести в мерную колбу содержимое ампулы (рис. 8). Для этого в чистую воронку (4) диаметром 9-10 см вставляют фигурный боек (2) так, чтобы его длинный конец вошел в трубку воронки, крестовидное утолщение уперлось в нижнюю часть конуса, а короткая острая часть бойка торчала к верху; затем воронку вставляют в чистую мерную колбу (5). Осторожно взяв чистыми руками ампулу фиксанала (1), обмывают ее теплой водой и ополаскивают струей дистилированной воды из промывалки. Повернув ампулу дном вниз, легким ударом нижним углублением ампулы по бойку в воронке разбивают ампулу. Затем не перевертывая ампулу и держа ее над воронкой, вторым бойком (3) пробивают верхнее углубление ампулы; при этом содержимое ее поступает через воронку в колбу. В верхнее отверстие ампулы вставляют наконечник промывалки, сильной струей дистиллированной воды промывают ампулу изнутри так, чтобы вода не разбрызгиваясь, стекала в воронку. Объем затраченный на промывание воды должен быть равен 5-6 объемам ампулы. Затем ампулу также ополаскивают водой из промывалки снаружи, после чего удаляют воронку с бойком, предварительно ополоснув и их струей воды. Затем колбу наполняют до половины водой, осторожно перемешивают ее содержимое до полного растворения и доливают водой до уровня метки. Колбу закрывают пробкой, и содержимое тщательно перемешивают. Вся мерная посуда перед употреблением должна быть тщательно вымыта. Чтобы удалить следы жира, посуду нужно ополоснуть слабой щелочью или мыльным раствором. После этого колбы, пипетки или бюретки нужно промыть водой, а затем наполнить хромовой смесью1. Хромовую смесь оставляют на несколько минут, а затем сливают обратно в сосуд, в котором ее хранят. После хроХромовую смесь готовят следующим образом: 15-20 г. растертого в ступке двухромовокислого калия (K2Cr2O7) смешивают с 500-600 мл концентрированной серной кислоты. 1 11 мовой смеси посуду промывают еще несколько раз водой, а затем ополаскивают дистиллированной водой. Пипетки и бюретки должны быть вымыты так, чтобы ни одна капля жидкости внутри сосуда, стекая, не задерживалась на стенке. 2. Титрование Наиболее важной операцией объемного анализа является титрование – процесс постепенного прибавления титрованного рабочего раствора к определяемому веществу. Рабочими растворами в объемном анализе называют растворы с известной концентрацией. Титрование ведется до достижения точки эквивалентности, т.е. до того момента, когда количество прибавленного стандартного раствора будет эквивалентно количеству определяемого вещества. Установка для титрования приведена на рис. 9. Для определения концентрации одного из двух взаимодействующих веществ необходимо: 1) знать концентрацию второго вещества; 2) точно определить объемы растворов обоих веществ, вступивших в реакцию; 3) точно установить конец реакции, т.е. состояние эквивалентности. В зависимости от того, какая реакция лежит в основе титрования, различают следующие методы объемного анализа: 1-метод нейтрализации; 2-метод осаждения; рис. 9. Установка для титрования. 3-окислительно-восстановительный метод; 4-метод комплексообразования. 2.1. Метод нейтрализации Основной реакцией в методе нейтрализации является реакция взаимодействия между ионами Н3О+ и ОН- с образованием практически недиссоциирующих молекул воды: Н3О+ + ОН- = 2 Н2О. 12 Метод применяется для количественного определения кислот и оснований, а также солей, подвергающихся гидролизу. В качестве рабочих растворов в методе нейтрализации используют растворы соляной кислоты и гидроксида натрия, реже – растворы серной кислоты и гидроксида калия. Если методом нейтрализации требуется определить неизвестную концентрацию раствора какой-либо кислоты, этот раствор титруют титрованным раствором щелочи. Такой метод нейтрализации называют ацидиметрией. Наоборот, если требуется определить концентрацию раствора щелочи, его титруют титрованным раствором кислоты - это алкалиметрия. Рабочие растворы кислот и щелочей не могут быть приготовлены по точной навеске, т.к. концентрированная серная кислота поглощает влагу из воздуха, концентрированная соляная кислота выделяет газообразный хлороводород, а гидроксид натрия поглощает из воздуха диоксид углерода: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O и поэтому бывает загрязнен примесями карбоната натрия и воды. Для приготовления титрованного раствора кислоты или щелочи вначале готовят растворы приблизительно нужной концентрации, а затем устанавливают их титр по какомунибудь исходному веществу. Рабочие растворы кислот и щелочей готовят приблизительно 0,1 н. 3.Индикаторы метода нейтрализации Реакция нейтрализации обычно не сопровождается внешним изменением раствора, т.е. переменой окраски или выпадением осадка. Поэтому в методе нейтрализации для определения точки эквивалентности используют кислотноосновные индикаторы, которые меняют свою окраску в зависимости от рН раствора. По ионной теории индикаторы – это органические красители, молекулы которых содержат кислотные или основные функциональные группы. Изменение рН приводит к потере или приобретению протона молекулой кислотно – основного индикатора и к резкому изменению его цвета, т.к. процесс перехода протона сопровождается существенными структурными изменениями индикатора. 13 HInd H+ + Indгде HInd – молекулярная форма индикатора (кислая); Ind - - основная форма индикатора (анион). Окраска двух форм различна. Повышение концентрации ионов водорода – или уменьшение рН – приводит к образованию HInd, и раствор приобретает окраску кислой формы. И наоборот, увеличение рН сдвигает равновесие перехода протона в сторону образования Ind-, что приводит также к изменению окраски раствора. Некоторые кислотно-основные индикаторы представлены в таблице 3, где указаны окраски кислых и основных форм каждого индикатора и значения рН, при которых доминирует в растворе та или иная окрашенная форма. Интервал значений рН, внутри которого заметно изменение окраски индикатора называется интервалом рН перехода окраски. Метиловый оранжевый (гелиантин, натриевая соль n- диметиламиноазобензолсульфокислоты) –двухцветный индикатор, имеющий окрашенную как кислую, так и основную форму. HInd H+ + Ind- красная желтая форма форма Смешение красного и желтого цветов (молекулярной [HInd] и ионной [Ind-] форм индикатора метилового оранжевого) приводит к появлению промежуточной оранжевой окраски, наблюдаемой при рН ≈ 4. Прибавление в раствор кислоты ведет к увеличению [Н+] и [HInd] и уменьшению [Ind-], т.е. к усилению окраски, свойственной молекулярной форме индикатора. Прибавление в раствор щелочи вызывает обратное действие – усиление окраски, свойственной ионной форме индикатора. Т.о., переход одной окраски, присущей молекулярной форме кислотноосновного индикатора, в другую, свойственную его ионной форме, происходит под влиянием Н+ и ОН— -ионов, т.е. зависит от рН раствора. 14 Таблица 3. индикатор окраска Кислая форма Метиловый оранжевый Метиловый красный Нейтральный красный фенолфталеин тимолфталеин Ализариновый красный S лакмус Основная форма Интервал рН перехода окраски Кислая щелочная форма доформа домиминирует нирует при рН при рН красная желтая 3,1 4,4 красная желтая 4,2 6,2 красная янтарная 6,7 8,0 бесцветная бесцветная желтая розовая голубая пурпурная 8,0 9,3 3,7 9,6 10,6 5,0 красная синяя 5,0 8,0 Согласно хромофорной теории, индикаторные свойства обусловлены существованием таутомерных превращений между бензоидной и хиноидной формами. Возникновение хиноидной структуры вызывает превращение одной формы индикатора в другую. Исчезновение хиноидной структуры обуславливает обратное превращение. (CH3)2N N=N SO3- OH H желтая форма (нейтральная или щелочная среда) OH H (CH3)2N+ =N - NН SO3- красная форма (кислая среда) Цветность органических соединений обуславливается не только хиноидной структурой молекул, но и присутствием в них других атомных группировок называемых хромофорными группами (-N=N-, -NO2, -NO, =C=C=, =C=O). При введении в молекулы органических веществ, содержащих хромофорные группы, неко- 15 торых других групп, называемых ауксохромами (-OH, -NH2, -NHR, -NR2), происходит углубление цвета окрашенного вещества. Т.о., изменение окраски индикатора происходит в том случае, когда появляются или исчезают хромофорные группы и когда вместо одних хромофорных групп появляются другие. Если хромофорные группы превращаются в нехромофорные, окраска исчезает. Фенолфталеин-одноцветный индикатор. Применяется для титрования сильных кислот, конечную точку титрования устанавливают по первому появлению постоянной розовой окраски раствора. ОН 2НОН - С ОН О = С О Бесцветная форма -О - С +2Н2О =О О= С О Окрашенная форма 4. Выбор индикатора в зависимости от типа титрования 4.1. Титрование сильной кислоты сильным основанием или сильного основания сильной кислотой. Кривая титрования для кислотно-основной реакции является графическим изображением зависимости рН от объема прибавленного титранта (рис. 10.) Анализ кривой приводит к выводу, что резкий скачок титрования наблюдается в интервале рН = 4,3-9,7. В этот скачок титрования полностью или частично укладываются интервалы перехода окраски метилового оранжевого, метилового красного, фенолфталеина. Последняя капля стандартного раствора вызывает изменение окраски всех перечисленных индикаторов. При титровании сильными кислотами отдают пред16 почтение метиловому красному и метиловому оранжевому, т.к. на них не объем NaOH, мл влияет двуокись углерода, поглощаемая из рис. 10. Кривая титрования воздуха. Фенолфталеин же весьма сильной кислоты сильным чувствителен к кислотам и на него влияет основанием. даже угольная кислота. В подборе индикаторов конечной точки титрования нужно руководствоваться следующими принципами: 1. для того, чтобы было резко заметно изменение окраски индикатора, кривая зависимости рН раствора от объема титранта должна иметь крутой поднимающийся (вертикальный) отрезок вблизи точки эквивалентности – скачок титрования; 2. скачок титрования должен быть не меньше интервала рН перехода окраски индикатора; 3. интервал рН перехода окраски индикатора должен совпадать с вертикальным участком кривой титрования. 4.2. Титрование слабой кислоты сильным основанием. Резкий скачок титрования (рис. 11) наблюдается в интервале рН = 7,74-10. В этот скачок титрования укладываются интервалы перехода фенолового красного, фенолфталеина. Титрование с метиловым оранжевым приводит к неверным результатам. Т.о. при титровании слабых кислот нельзя применять индикаторы с интервалами Объем, мл перехода , лежащими в кислой рис. 11. кривая титрования слабой кислоты области. Фенолфталеин очень сильным основанием. чувствителен к кислотам, поэтому при титровании в его присутствии слабых кислот рекомендуется вблизи точки эквивалентности растворы прокипятить для удаления СО2. До точки эквивалентности кривая титрования слабой кислоты сдвинута в область больших значений рН, потому что лишь небольшая часть кислоты диссоциирует с образованием ионов водорода, а значение рН точки эквивалентности сдвинуто в щелочную область, кроме того скачок титрования на кривой захватывает гораздо меньший диапазон рН по сравнению с кривой титрования сильной кислоты сильным основанием. После точки эквивалентности, когда добавляется избыток титранта, системы становятся практически идентичными . 4.3. Титриметрический анализ смеси карбонат-бикарбонат. Как пример титрования двух слабых оснований, рассмотрим определение в смеси карбоната и бикарбоната натрия в твердом виде. На рис 12 представлена кривая титрования раствором хлороводородной кислоты раствора, содержащего Na2CO3, NaHCO3. На кривой наблюдаются две точки эквивалентности, первая относится к титрованию карбоната до гидрокарбоната 17 CO32- + H+ HCO3а вторая – соответствует превращению гидрокарбоната (включая и тот, что образовался по первой ступени титрования) в угольную кислоту HCO3- +Н+ Н2СО3 Из рис. 12 следует, что резкое изменение рН в первой точке эквивалентности недостаточно резкое для четкого изменения окраски обычного кислотноосновного индикатора. Фенолфталеин может быть использован, если приготовлен раствор сравнения. Для этой цели готовят раствор, объем которого, а так же содержание в нем фенолфталеина и NaHCO3 такое же, как и у раствора реальной пробы в первой точке эквивалентности. Затем раствор пробы титруют раствором HCl до тех пор, пока его окраска не будет соответствовать окраске раствора сравнения. Метиловый оранжевый является хорошим индикатором для второй точки эквивалентности, конечная точка фиксируется при первом заметном изменении чисто желтого цвета основной формы на промежуточный оранжевый. объем HCl, мл рис. 12. кривая титрования смеси карбоната и гидрокарбоната раствором хлороводородной кислоты. 18 V. Экспериментальная часть Опыт №1. Установка молярной концентрации эквивалента раствора щелочи по стандартному раствору соляной кислоты. Сущность метода. Обычно для титрования применяют растворы гидроксида калия или натрия. Раствор NaOH более пригоден, т.к. его легко получить свободным от примеси карбоната. Щелочи не обладают свойствами исходного вещества: они гигроскопичны и легко реагируют с углекислым газом воздуха, т.е. они всегда содержат меняющееся количество влаги и карбонатов. Приготовление рабочего раствора не содержащего примеси карбоната: на технических весах взвешивают щелочь в количестве 50% превышающем необходимое для приготовления 0,1 н раствора. Помещают навеску в стакан и быстро ополаскивают 2-3 раза небольшим количеством воды, которую выливают. Оставшийся гидроксид натрия растворяют в воде и доводят объем раствора до литра. Этот способ основан на том, что углекислый газ реагирует с NaOH сначала только на поверхности. Тонкая корка соды, покрывающая сверху щелочь, при ополаскивании водой растворяется. Растворы разбавляют водой лишенной углекислого газа (кипячение или продолжительное хранение). Для определения молярной концентрации эквивалента раствора щелочи по титрованному раствору соляной кислоты можно поступать двояким образом: либо измеренный объем кислоты титровать щелочью до изменения окраски метилоранжа от розовой до желтой, либо, наоборот, измеренный объем щелочи титровать кислотой до изменения желтого цвета в оранжевый. В первом случае титрование заканчивается с небольшим избытком щелочи, во втором – с небольшим избытком кислоты. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Реактивы и посуда: Стандартный раствор соляной кислота с концентрацией 0,1 моль/дм3 эквивалента; метилоранж, 0,1%-ный раствор; фенолфталеин, 0,1%-ный раствор; колба мерная вместимостью 100 см3; колбы конические вместимостью 250 см3; Пипетка с одной отметкой вместимостью 10 см3. 19 Ход определения Аликвот кислоты отбирают в колбу для титрования, добавляют 2 - 3 капли метилоранжа и титруют до перехода окраски из розовой в оранжевую. Записывают показания по бюретке. Титрование повторяют еще 2-3 раза. Рассчитывают молярную концентрацию эквивалента раствора щелочи. N NaOH VHCl N HCl VNaOH Опыт №2. Анализ кальцинированной соды. Определение содержания Na2CO3 Качество кальцинированной соды определяется ГОСТом. Сода должна полностью растворяться в воде, содержание Na2CO3 не должно быть менее 95%. В основе определения лежит реакция нейтрализации: Na2CO3 + 2 HCl = 2 NaCl + CO2 + H2O В точке эквивалентности образуется раствор хлорида натрия и угольная кислота, которая сообщает раствору слабокислую реакцию. Реактивы и посуда: 1. Стандартный раствор соляной кислота с концентрацией 0,1 моль/дм 3 экви валента; 2. метилоранж, 0,1%-ный раствор; 3. фенолфталеин, 0,1%-ный раствор; 4. колба мерная вместимостью 100 см3; 5. колбы конические вместимостью 250 см3; 6. Пипетка с одной отметкой вместимостью 10 см3. Ход определения. На аналитических весах отвешивают навеску 0,5 г кальцинированной соды и количественно переносят в мерную колбу вместимостью 100 см3, объем до метки доводят дистиллированной водой. В коническую колбу вносят 10 см3 приготовленного раствора, добавляют около 40 см3 воды и 1-2 капли метилоранжа. Пробу титруют раствором соляной кислоты до перехода окраски от желтой в оранжевую. Повторяют титрование до 20 получения сходящихся результатов. Вычисляют содержание Na2CO3 в анализируемом образце: m Na2CO3 C HCl VHCl Э Na 2 CO3 V м.к. Vп. 1000 при этом ЭNa 2 CO3 М Na 2 CO3 2 Опыт № 3 Анализ смеси веществ Определение содержания гидроксида и карбоната натрия при совмест- 3.1. ном присутствии (анализ смеси Na2CO3 и NaOH) Сущность метода.Твердые щелочи поглощают из воздуха углекислый газ и водяные пары, превращаясь в соответствующие карбонаты, например: 2 NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O раствор NaOH всегда содержит примесь Na2CO3. В некоторых случаях нужно знать содержание Na2CO3 и NaOH в растворе. Возможно их определение при совместном присутствии титрованием анализируемого раствора кислотой при последовательном использовании двух индикаторов. Карбонат-ион представляет собой двухкислотное основание и может последовательно присоединять два иона водорода: CO32- + H+ HCO3HCO3- +Н+ Н2СО3 Точка эквивалентности первой реакции соответствует рН = 8,34. Если в растворе одновременно присутствует щелочь, то она также практически полностью вступает в реакцию. Т.о, титруя исходный раствор кислотой до рН = 8,34, одновременно нейтрализуют щелочь и половину карбоната, превращая его в гидрокарбонат. Индикатором служит фенолфталеин. NaOH + HCl = NaCl + H2O Na2CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl 21 Дальнейшее прибавление кислоты приводит к превращению гидрокарбоната в свободную угольную кислоту. pH раствора во второй точке эквивалентности будет равно 4,0. Титрование проводят с метиловым оранжевым. NaHCO3 + HCl = NaCl + H2CO3 Таким образом, анализ смеси щелочи и карбоната сводится к последовательному титрованию исследуемого раствора кислотой сначала до обесцвечивания фенолфталеина, а затем до перехода желтой окраски метилоранжа в оранжевую. Объем раствора кислоты, затраченный на первое титрование (Vф.ф.), эквивалентен содержащейся в растворе щелочи и половине карбоната, т.к. последний присоединяет один ион водорода. Объем кислоты, затраченный на второе титрование (Vм.о.), эквивалентен половине карбоната, т.к. при этом титровании идет реакция присоединения второго иона водорода. Поскольку кислота, затраченная на титрование с метилоранжем, оттитровывает лишь половину карбоната, то на титрование всего карбоната расходуется 2 Vм.о. кислоты. Остальная кислота, т.е. (Vф.ф. - Vм.о.) идет на нейтрализацию щелочи. По объемам затраченной кислоты рассчитывают содержание каждого компонента в анализируемой смеси. Рисунок 13 поясняет принцип расчета по данным титрования: NaOH по фенолфталеину V ф.ф. – Vм.о. V ф.ф. по метилоранжу Vм.о.= Vобщ. – Vф.ф. Na2CO3 2 Vм.о. Vобщ. Рис. 13. 22 Реактивы и посуда: 1. Стандартный раствор соляной кислота с концентрацией 0,1 моль/дм 3 экви валента; 7. метилоранж, 0,1%-ный раствор; 8. фенолфталеин, 0,1%-ный раствор; 9. колба мерная вместимостью 100 см3; 10. колбы конические вместимостью 250 см3; 11. Пипетка с одной отметкой вместимостью 10 см3. Ход определения. Анализируемую смесь Na2CO3 и NaOH помещают в мерную колбу вместимостью 100 см3, разбавляют до метки дистиллированной водой (не содержащей СО2) и тщательно перемешивают. В коническую колбу вносят 10 см3 приготовленного раствора, добавляют 5-6 капель фенолфталеина и титруют пробу раствором кислоты до исчезновения розовой окраски, записывают показания по бюретке (Vф.ф. ). Затем к оттитрованному раствору добавляют 1-2 капли метилового оранжевого (при этом раствор окрасится в желтый цвет) и продолжают титрование кислотой до перехода желтой окраски в бледно-розовую. Записывают второе показание по бюретке (Vобщ.). Титрование повторяют еще 2-3 раза. Рассчитывают массовую концентрацию щелочи и карбоната натрия в анализируемом растворе (г/дм3). ф .ф . м .о . (VHCl VHCl ) N HCl ЭNaOH mNaOH= 1000 м .о . 2VHCl N HCl ЭNa 2CO3 mNa 2 CO3 1000 3.2. Определение карбоната и гидрокарбоната при совместном присутствии. Сущность метода. Метод основан на титровании раствора, содержащего смесь карбоната и гидрокарбоната натрия, раствором соляной кислоты в присутствии двух индикаторов, применяемых последовательно. При добавлении соляной кислоты к смеси карбоната и гидрокарбоната натрия вначале происходит реакция между карбонатом натрия и соляной кислотой: Na2CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl 23 При этом карбонат переходит в гидрокарбонат. В первой точке эквивалентности рН раствора определяется наличием в нем кислой соли (рН т.э.(1)= 8,3). Используют индикатор фенолфталеин. При этом карбонат натрия оттитровывается не полностью. При дальнейшем добавлении соляной кислоты в реакцию вступает гидрокарбонат натрия: тот, что образовался из карбоната натрия, и тот, что первоначально был в растворе: NaHCO3 + HCl = H2CO3 + NaCl Во второй точке эквивалентности электролитом, определяющим рН раствора, является угольная кислота и рНт.э.(2) = 3,8. индикатор фиксирующий вторую точку эквивалентности – метилоранж. Таким образом, определение карбоната и гидрокарбоната натрия при их совместном присутствии в растворе сводится у последовательному титрованию приготовленного раствора соляной кислотой сначала до обесцвечивания фенолфталеина, а затем до перехода желтой окраски метилоранжа в оранжевую. Объем раствора кислоты, затраченный на первое титрование (Vф.ф. ), эквивалентен половине содержащегося в растворе карбоната натрия, т.к. последний присоединяет один ион водорода. Объем кислоты, затраченный на второе титрование (Vм.о. = Vобщ. - Vф.ф. ), эквивалентен содержащемуся в растворе гидрокарбонату и половине карбоната, т.к. последний был уже на половину оттитрован. При этом титровании идет реакция присоединения второго иона водорода. Следовательно, всего на титрование карбоната натрия идет 2 Vф.ф. кислоты. Остальная кислота, т.е. (Vобщ. – 2 Vф.ф. ) идет на нейтрализацию гидрокарбоната, находящегося в анализируемом растворе. По объемам затраченной кислоты рассчитывают содержание каждого компонента в анализируемом веществе. Реактивы и посуда: 1. Стандартный раствор соляной кислота с концентрацией 0,1 моль/дм3 эквивалента; 2. метилоранж, 0,1%-ный раствор; 3. фенолфталеин, 0,1%-ный раствор; 4. колба мерная вместимостью 100 см3; 5. колбы конические вместимостью 250 см3; 6. Пипетка с одной отметкой вместимостью 10 см3 24 Рисунок 14. поясняет принцип расчета по данным титрования. По фенолфталеину Vф.ф Na2CO3 2 Vф.ф. по метилоранжу Vм.о.= Vобщ. – Vф.ф. NaHCO3 V общ. - 2 Vф.ф. Vобщ. Рис. 14. Ход определения. Навеску питьевой соды 2,0 – 2,5 г растворяют в мерной колбе вместимостью 100 см3 и объем до метки доводят водой. В конические колбы вносят 10 см3 приготовленного раствора, добавляют 2-3 капли фенолфталеина и пробу титруют раствором соляной кислоты до исчезновения окраски. Измеряют объем кислоты, пошедший на титрование (Vф.ф..), затем к оттитрованному раствору прибавляют 23 капли метилоранжа и продолжают титрование до перехода окраски от желтой в оранжевую. Делают второй отсчет по бюретке (Vобщ.). По результатам титрования рассчитать содержание каждого компонента. mNaHCO 3 = м.о.. ф.ф.. (VHCl VHCl ) N HCl ЭNaHCO3 mNa 2CO3 1000 ф.ф.. VHCl N HCl ЭNa 2 CO3 1000 Сделать заключение исходя из данных титрования: 1. Если Vф.ф. = 0 Vм.о. 0 (гидрокарбонат натрия не титруется в присутствии фенолфталеина), то в растворе имеется только NaHCO3, содержание которого рассчитывается через Vм.о. 25 2. Если Vф.ф. > 0, а Vм.о. =0 (метилоранж окрашивается в розовый цвет), то в растворе содержится NaOH, который полностью оттитровывается в присутствии фенолфталеина. 3. Если Vф.ф. = Vм.о., то в растворе содержится Na2CO3. Это объясняется тем, что в присутствии фенолфталеина Na2CO3 оттитровывается толькона половину, т.е. до NaHCO3, а с метиловым оранжевым оттитровывается уже образовавшийся NaHCO3 ( вторая половина Na2CO3, превращенного в NaHCO3) 4. Если Vф.ф. > Vм.о , то в растворе содержится NaOH и Na2CO3. Это объясняется тем, что в присутствии фенолфталеина оттитровывается не только половина Na2CO3, но и NaOH. 5. Если Vф.ф. Vм.о , то в растворе содержится NaHCO3 и Na2CO3. Это объясняется тем, что в присутствии метиловогооранжевого оттитровывается не только вторая половина Na2CO3, но и NaНCO3, присутствовавший в исходном растворе. 26 VI. Контрольные вопросы 1. В чем сущность метода нейтрализации? 2. Какие рабочие растворы применяются в методе кислотно-основного титрования? 3. Какие индикаторы используются при титровании в методе нейтрализации? 4. Принцип действия кислотно – основных индикаторов. 5. Какими принципами нужно руководствоваться при выборе индикаторов в методе нейтрализации? 6. В каких координатах строят кривые титрования в методе нейтрализации? 7. Что такое точка эквивалентности и как она фиксируется в методе нейтрализации? 8. Что такое область перехода индикатора? Что называется показателем титрования? 9. В чем особенность кривой титрования смеси карбонат-гидрокарбонат? 10.Вычислите нормальность КОН, если на титрование 20 мл его пошло 16,4 мл 0,1 н раствора соляной кислоты. 11.На титрование 20 мл раствора гидроксида натрия расходуется 22,4 мл 0,1 н раствора соляной кислоты. Сколько граммов гидроксида натрия содержится в 500 мл анализируемого раствора? 27 VII. Список использованной литературы: 1. Васильев В.П. Аналитическая химия. Лабораторный практикум: Пособие для вузов / В.П. Васильев, Р.П. Морозова, Л.А. Кочергина; Под ред. В.П. Васильева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2004. – 184 с. 2. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Теоретические основы. Количественный анализ. Книга вторая. Издательство «Химия», М., 1971. – 456 c. 3. Крешков А.П., Ярославцев А.А. Курс аналитической химии. Количественный анализ. – Под ред. А.П. Крешкова, - 5-е изд., испр.-М.: Химия, 1982. – 213 с. 4. Лайтинен Г.А. Химический анализ. Пер. с англ. Л.З. Захаренок под ред. проф. Ю.А. Клячко. Изд. «Химия» М. 1966. – 152 с. 5. Логинов Н.Я.б Воскресенский А.Г., Солодкин И.С. Аналитическая химия. Изд. 2-е перераб.-М.: «Просвещение», 1979. – 273 с. 6. Ольшанова К.М., Пискарева С.К., Барашков К.М. Аналитическая химия. М.: Химия, 1980. – 198 с. 7. Петерс Д., Хайес Дж., Хифтье Г. Химическое разделение и измерение. Теория и практика аналитической химии. В двух книгах.- Пер. с англ./ Под ред. П.К. Агасяна.- М.: Химия, 1978. – 816 с. 8. Посыпайко В. И., Васина Н.А. Аналитическая химия и технический анализ. Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. школа, 1979. – 243 с. 9. Практикум по аналитической химии: Пономарев В.Д., Иванова Л.И., Самокиш И.И. Под ред. В.Д. Пономарева, Л.И. Ивановой. – М.: Высш. шк., 1983. – 282 с. 10. Руководство по аналитической химии. Пер. с немецкого к.х.н. В.В Кузнецова, к.х.н. Л.Б. Кузнецовой. Под ред. проф. Ю.А. Клячко. Изд. «Мир» Москва 1975. – 325 с. 11. Сусленникова В. М. И Киселева Е.К. Руководство по приготовлению титрованных растворов. Изд. 4-е, перераб. и доп. – Л.: «Химия», Ленингр. Отделение, 1968. – 186 с. 12. Ушакова Н.Н., Николаева Е.Р., Моросанова С.А. Пособие по аналитической химии. М., Изд-во Моск. Ун-та, 1978. – 161 с. 13. Шарло Г. Методы аналитической хим. Количественный анализ неорганических соединений. Перев. С французского проф. Ю.Ю. Лурье. –М.:«Химия», 1965. – 256 с. 28 Содержание. Введение Правила техники безопасности……………………………………2 Подготовка к занятиям……………………………………………..3 ………………………………………………………………4 Теоретическая часть. Объемный анализ. 1. Мерная посуда: 1.1. Мерные цилиндры и мензурки……………………………………..4 1.2. Пипетки……………………………………………………………….4 1.3. Бюретки……………………………………………………………….6 1.4. Мерные колбы…………………………………………………………7 2.Титрование…………………………………………………………9 2.1.Метод нейтрализации………………………………………………..10 3.Индикаторы метода нейтрализации………………………….11 4.Выбор индикатора в зависимости от типа титрования…..14 4.1 Титрование сильной кислоты сильным основанием или сильного основания сильной кислотой………………………………………………14 4.2. Титрование слабой кислоты сильным основанием…………….15 4.3. Титриметрический анализ смеси карбонат – бикарбонат….15 VII. Экспериментальная часть………………………………………...16 1. Установка молярной концентрации эквивалента раствора щелочи по стандартному раствору соляной кислоты…… ..16 2. Анализ кальцинированной соды. Определение содержания Na2CO3…………………………………………………………….17 3. Анализ смеси веществ…………………………………………..18 3.1. Oпределение содержания гидроксида и карбоната натрия при совместном присутствии (анализ смеси Na2CO3 и NaOH)18 3.2. Определение карбоната и гидрокарбоната при совместном присутствии……………………………………………………….. .20 VIII. Контрольные вопросы……………………………………………..22 IX. Список использованной литературы……………………………23 II. III. IV. V. VI. 29
